JPH1123321A - 光学スケール及びそれを用いた変位情報測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 投光手段と受光手段等を有する筐体と光学ス
ケールが機械的接触をした場合でもスリット部は傷を得
ることはなく、常に安定した移動情報を得ることができ
る光学スケール及びそれを用いた変位情報測定装置を得
ること。 【解決手段】 変位物体の変位情報を検出する為に用い
られる光学スケール３であって、該光学スケール３は入
射光束を所定方向に光変調させるスケール部を透明な基
板の表裏面に対向して設けた凹部のうちの一方の凹部７
ａに形成している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光学スケール及びそ
れを用いた変位情報測定装置に関し、特に光学式スケー
ルの回転情報や直線移動情報等の変位情報を高精度に検
出する際に好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、ＮＣ工作機械等には物体の位
置や角度、そして速度等の変位情報を検出する変位セン
サー（変位情報測定装置）としてエンコーダが使用され
ている。

【０００３】エンコーダとしての測定方法は、大別する
と磁気式エンコーダによる方法と、光学式エンコーダに
よる方法がある。

【０００４】このうち光学式エンコーダは、大別すると
投，受光部を収納する筐体と移動物体としての光学とス
ケールとで構成されている。エンコーダとして例えば、
回転体の回転情報を検出するロータリエンコーダでは、
回転体に連結した回転円板上にスリット状の光透過部と
光遮光部を周期的に配置したメインスケールを有する主
パルス板と、このパルス板のメインスケールと同じ周期
となるように光透過部と光遮光部を基板面上に配置した
インデックススケールを有した固定の補助パルス板とを
用い、双方を対向配置している。そして対向配置した主
パルス板と補助パルス板の双方を挟むように発光手段と
受光手段を対向配置して構成している。

【０００５】このような構成のロータリーエンコーダで
は、投光手段からの光束のうち、主パルス板の光透過部
と補助パルス板の光透過部の双方の光透過部を通過した
光束が受光手段に入射し、このときの入射光束に基づい
て受光手段から得られる信号を、例えば周波数解析して
回転体の回転情報を検出している。

【０００６】図９は特開昭５７−１９４３１０号公報で
提案されている光学式エンコーダの要部概略図である。
同図ではリニアエンーダの主パルス板３１と補助パルス
板３２との位置関係を示している。

【０００７】同図では主パルス板３１のエッチングによ
り形成したスケール部３１ａの周辺に摺動面３１ｂを有
する凸部３１ｃを設けている。又補助パルス板３２のエ
ッチングにより形成したスケール部３２ａの周辺部に摺
動面３２ｂを有する凸部３２ｃを設けている。そして双
方の摺動面３１ｂと３２ｂとを密着させている。

【０００８】２つのスケール部３１ａ，３２ａは基板に
各々凹設されており、双方はスケールギャップ６０で対
向している。そして主パルス板３１のスケール部３１ａ
と補助パルス板３２のスケール部３２ａを介した光束を
検出して主パルス板３１と補助パルス板３２との相対的
変位情報を得ている。

【０００９】図９に示す光学式エンコーダは、主パルス
板３１と補助パルス板３２の相対位置がずれていると、
完全な遮光状態が得られず、受光手段で得られる明暗
比、即ち、Ｓ／Ｎ比が低下してきて、受光手段で得られ
る光電流の明暗に対応する振幅が小さくなり、出力パル
スのカウントを読み取る際の読取り誤差の原因となる。

【００１０】そこで、このときの相対位置ずれを防止す
る為に、主パルス板３１と補助パルス板３２の一部に凸
部より成る摺動面３１ｂ，３２ｂを設けて双方を密着し
ている。そして摺動面３１ｂ，３２ｂに対して凹設した
領域にスケール部を設けている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ロータリーエンコーダ
やリニアエンコーダ等の変位情報測定装置では投光手段
と受光手段、そしてレンズ系等の各要素を収納した筐体
に対して例えば筐体の外形状をコの字状とし、該コの字
状の中に変位物体としての光学スケールの一部を挟入し
て構成している。

【００１２】光学スケールには光透過部と光遮光部のパ
ターンを一定の周期で配列したスケール部（格子部）又
は一定の周期の回折格子を設けたスケール部が形成され
ている。筐体の一部に光学スケールを挟入したエンコー
ダでは製造誤差や経時変化によって又、測定中の振動等
によって光学スケールの一部が筐体の一部に接触する場
合がある。このとき光学スケールのスケール部にキズが
付いたり、スケール部が破損してしまうと、スケール部
を介した光束を用いている為に、受光手段で得られる信
号が劣化してきたり、又パルス抜けを起こしたりして、
高精度な変位情報を得ることができなくなってくる場合
がある。

【００１３】本発明は、筐体の一部に光学スケールの一
部を挟入し、該筐体と光学スケールとの相対的な変位情
報を検出する際に入射光束を光変調する為のスケール部
を設ける基板の構成を適切に設定することにより光学ス
ケールの一部が筐体の一部に機械的に接触してもスケー
ル部にキズが付いたり、破損しないようにし、常に高精
度な変位情報を測定することができる光学スケール及び
それを用いた変位情報測定装置の提供を目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の光学スケール
は、(1-1) 変位物体の変位情報を検出する為に用いられ
る光学スケールであって、該光学スケールは入射光束を
所定方向に光変調させるスケール部を透明な基板の表裏
面に対向して設けた凹部のうちの一方の凹部に形成して
いることを特徴としている。

【００１５】特に、(1-1-1) 前記基板の表裏面に対向し
て設けた凹部と前記スケール部を介した光束を利用して
いること。

【００１６】(1-1-2) 前記光学スケールはプラスチック
成形より製造されたものであること。等を特徴としてい
る。

【００１７】本発明の変位情報測定装置は、(2-1) 筐体
内に設けた光照射手段からの光束を該筐体の一部で挟ん
で配置した光学スケールのスケール部に入射させ、該ス
ケール部で光変調した光束を該筐体内に設けた受光手段
で受光し、該受光手段からの信号を用いて該筐体と光学
スケールとの相対的な変位情報を検出する変位情報測定
装置において、該光学スケールのスケール部は透明な基
板の表裏面に対向して設けた凹部のうちの一方の凹部に
形成されていることを特徴としている。

【００１８】特に、(2-1-1) 前記基板の表裏面に設けた
凹部は前記光学スケールの一部が前記筐体の一部に機械
的に接触した場合であっても該表裏面の凹部が該筐体に
接触しないように設けられていることを特徴としてい
る。

【００１９】(2-2) 光照射手段からの光束をレンズ系で
集光して放射状のＶ溝を一定周期に配設したスケール部
を円板上の周上に設けた回転可能な光学スケール上の第
１領域に入射させ、該第１領域のスケール部で回折した
回折光を凹面ミラーで反射させて該光学スケールの第２
領域に入射させ、該第２領域のスケール部を介した光束
を受光手段で受光することにより、該光学スケールの変
位情報を検出する変位情報検出装置において、該第１領
域と第２領域は該光学スケールの回転軸の半径方向に対
して異なった領域の凹部に形成しており、該第１領域の
スケール部からの±ｎ次回折光は該凹面ミラーの面又は
その近傍に集光しており、該凹面ミラーは該光学スケー
ルの第１領域を第２領域に偏心系で結像していることを
特徴としている。

【００２０】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施形態１の一部
分の要部斜視図、図２は本発明の実施形態１の一部分の
要部断面図、図３は本発明の実施形態１の一部分の光学
スケールと凹面ミラーとの説明図、図４は本発明の実施
形態１の一部分の光学スケールの説明図、図５は本発明
の実施形態１の一部分の光学スケールの格子部と受光手
段からの信号の説明図、図６は本発明の実施形態１の光
学スケールの説明図、図７は本発明に係る光学スケール
と筐体との位置関係を示す説明図である。

【００２１】図中１は光源であり、例えばＬＥＤや半導
体レーザで構成し、波長λ（６３２．８ｎｍ）の可干渉
性光束を発している。２はレンズ系であり、球面レンズ
又は非球面レンズより成り、光源１からの光束を集光し
て、後述する光学スケール３に導光している。

【００２２】光源１とレンズ系２等は光照射手段（投光
手段）ＬＲの一要素を構成している。３は位相差検出機
能と振幅型の回折格子機能とを有する光学スケールであ
り、図４，図５，図６に示すように円板状の基板３ｃの
表裏面に設けた凹部７ａ，７ｂ，のうちの一方の凹部７
ａに一定周期の複数の放射状格子（スリット数２５００
又は５０００のＶ溝格子）より成る格子部（スケール
部）３ｄを設けて構成している。光学スケール３の基板
３ｃは透孔性の光学材料、例えばポリカーボやプラスチ
ックより成り、回転体（不図示）の一部に取り付けてお
り、回転体と一体的に回転軸３ｅを中心に矢印６方向に
回転している。

【００２３】図５（Ａ），（Ｂ）は光学スケール３の格
子部３ｄの詳細図であり、Ｖ溝部を構成する２つの傾斜
面３０ｂ−１，３０ｂ−２と１つの平面部３０ａが所定
のピッチＰで交互に配列されて格子部３ｄを形成してい
る。Ｖ溝幅は（１／２）Ｐ、又Ｖ溝を形成する２つの傾
斜面３０ｂ−１，３０ｂ−２は各々（１／４）Ｐの幅を
有し、各々の傾斜面３０ｂ−１，３０ｂ−２はＶ溝の底
部と中心とを結ぶ直線に対し各々臨界角以上、本実施形
態ではθ＝４５°で傾いている。

【００２４】本実施形態では光学スケール３からの回折
光のうち０次回折光と±１次回折光の３つの光束を利用
している。ここで、この格子部３ｄのＶ溝は光学スケー
ル３に対して放射状に構成されている為、光学スケール
３の内周側と外周側ではピッチ（格子ピッチ）が異なっ
ている。尚、ここでピッチとは格子部ｄの平面部３０ａ
とＶ溝の２つの傾斜面３０ｂ−１と３０ｂ−２との幅を
合計した値をいう。

【００２５】本実施形態では光学スケール３の材質をポ
リカーボやプラスチックとし、射出成形もしくは圧縮成
形当の製法によって作成している。４は凹面ミラーであ
り、球面ミラー，楕円ミラー，放物ミラー，非球面ミラ
ー等から成っている。凹面ミラー４は格子部３ｄのフー
リエ変換面に一致している。

【００２６】本実施形態では図２，図３に示すようにレ
ンズ系２で集光され、光学スケール３の第１領域３ａに
入射した光束１０１が光学スケール３の格子部で回折
し、このときｎ次の回折光（０次と±１次の回折光）が
凹面ミラー４の面４ｂ又はその近傍（凹面ミラー４の瞳
位置又はその近傍）に集光するように各要素を設定して
いる。

【００２７】凹面ミラー４の光軸４ａと入射光束１０１
の中心光線（主光線）１０１ａは図３に示すように偏心
量Δだけ偏心している。凹面ミラー４は光学スケール３
で回折し、集光してきた収束光束（３つの回折光束）を
反射させ、光学スケール３面上の第２領域３ｂに３つの
回折光に基づく干渉パターン像（像）を再結像させてい
る。このとき光学スケール３が回転方向６に移動すると
再結像した像は回転方向６とは反対の方向に移動する。
即ち、格子部と干渉パターン像は相対的に光学スケール
３の移動量の２倍の値で相対変位する。

【００２８】本実施形態ではこれにより光学スケール３
に構成されている格子部の２倍の分解能の回転情報を得
ている。

【００２９】５は受光手段であり、光学スケール３の格
子部３ｄの第２領域３ｂ近傍に形成した干渉パターンと
格子部のＶ溝との位相関係に基づく光束が第２領域３ｂ
で幾何学的に屈折され、射出した３つの光束を各々受光
する為の３つのフォトディテクタ（受光素子）５ａ，５
ｂ，５ｃを有している。この受光手段５からの信号をパ
ルスカウント回路や回転方向の判別回路を有する信号処
理１０３によって処理し、これより回転情報を得てい
る。尚、光源１，レンズ系２，凹面ミラー４，そして受
光手段５は筐体ＰＫ内に固定保持されている。光学スケ
ール３は筐体ＰＫのコの字状の空間部に挟入されてい
る。

【００３０】次に本実施形態における光学スケール（回
転体）３の回転情報の検出方法について説明する。光照
射手段の一要素であるＬＥＤ１からの光束をレンズ系２
により凹面ミラー面上４の反射面４ｂ又はその近傍に集
光するようにしている。この収束光を図２，図３に示す
ように光学スケール３の格子部３ｄ上の第１領域３ａに
入射させる。第１領域３ａに入射した収束光のうち図５
に示す格子部３ｄの平面部３０ａに到達した光線は該平
面部３０ａを通過して凹面ミラー４に進み、その面上に
結像する。またＶ溝を構成する傾斜面３０ｂ−１に到達
した光線は、傾斜面３０ｂ−１の傾斜角が臨界角以上に
設定されている為、図に示すように全反射してＶ溝を構
成する他方の傾斜面３０ｂ−２に向けられ、傾斜面３０
ｂ−２においても全反射する。

【００３１】このように最終的に格子部３ｄの傾斜面３
０ｂ−１へ到達した光線は、光学スケール３の内部に進
入することなく、入射方向に戻されることになる。同様
にＶ溝を構成する他方の傾斜面３０ｂ−２に到達した光
線も全反射を繰り返して戻される。従って第１領域３ａ
においてＶ溝を形成する２つの傾斜面３０ｂ−１，３０
ｂ−２の範囲に到達する光束は、光学スケール３内に進
入することなく反射され、平面部３０ａに到達した光線
のみが光学スケール３を進むことになる。

【００３２】即ち、第１領域３ａにおいてＶ溝型の格子
部３ｄは透過型の振幅回折格子と同様の光学作用を有す
る。この第１領域３ａの格子部３ｄで光束は回折され、
格子部の作用により０次，±１次，±２次‥‥の回折光
が生じ、凹面ミラー４の面上にその回折光が集光する。
集光した回折光は、主光線１０１ａに対して偏芯してい
る凹面ミラー４によって反射し、光学スケール３の第２
領域３ｂ部で再結像し、光学スケール３面上に像（放射
状の溝の像）を再結像する。

【００３３】ここで第１領域３ａと第２領域３ｂは光学
スケール３面の放射状格子の格子部３ｄに対して半径方
向に異なった（一部が重複していても良い）領域であ
る。このとき、光学スケール３は放射状の格子部３ｄを
有するため、第１領域３ａと第２領域３ｂのピッチが異
なる。さらに、第２領域３ｂの照射領域においても光学
スケール３の内周側と外周側のピッチが異なっている。

【００３４】そこで本実施形態では、格子部３ｄ上の第
２領域３ｂに第１領域３ａの格子部を拡大投影し、光学
スケール３の放射状の格子部３ｄのピッチと同様の像
（反転像）を形成するようにしている。そのために本実
施形態では凹面ミラー４を所望の曲率半径Ｒに設定し、
入射光束の主光線１０１ａに対して偏心配置するととも
に入射光軸に対するずれ量Δも最適な値にしている。

【００３５】これによって第１領域３ａの格子部の像が
凹面ミラー４によって第２領域３ｂ面上に再結像すると
き放射状格子の一部のピッチが合致するようにしてＳ／
Ｎ比の良い検出信号を得ている。

【００３６】本実施形態では凹面ミラー４で反射し、格
子部３ｄの第２領域３ｂ上に再結像した３つの光束のう
ち、今度は格子部３ｄで幾何学的に屈折する光束のみを
用いている。

【００３７】第２領域３ｂにおいて平面部３０ａに入射
した光束は、図５（Ｂ）に示すように直線透過し、受光
手段５の中央部のフォトディテクタ５ｃに到着する。ま
た、Ｖ溝面を形成する２つの傾斜面３０ｂ−１及び３０
ｂ−２に到達した光線は、各々の面に４５°の入射角を
持って入射するため、それぞれ異なる方向に大きく屈折
して受光手段５の両側のフォトディテクタ５ａ及び５ｂ
に到達する。

【００３８】このように第２領域３ｂにおいて、入射光
束に対して異なる方向に傾斜した２つの傾斜面３０ｂ−
１，３０ｂ−２及びＶ溝の間の平面部３０ａの合計３種
の傾き方向の異なる面により、光束は３つの方向に別れ
て進み、各々の面に対応した位置に設けられた各フォト
ディテクタ５ａ，５ｂ，５ｃに到達する。即ち第２領域
３ｂにおいてＶ溝の格子部３ｄは光波波面分割素子とし
て機能する。

【００３９】即ち第２領域３ｂの格子部と、その面上に
結像した干渉パターン像との位相関係に基づく光束が３
方向に偏向され、各フォトディテクタ５ａ，５ｂ，５ｃ
に入射している。

【００４０】ここで光学スケール３が回転すると、各フ
ォトディテクタ５ａ，５ｂ，５ｃで検出される光量が変
化する。格子部３ｄの位置と像の位置の相対的変位に応
じ、各フォトディテクタに入射する光量バランスが変化
し、その結果、光学スケール３が反時計廻りに回転した
とすると、図５（Ｃ）に示すような光学スケール３の回
転に伴う光量変化が得られる。ここで横軸は光学スケー
ル３の回転量、縦軸は受光光量である。

【００４１】信号ａ，ｂ，ｃはそれぞれフォトディテク
タ５ａ，５ｂ，５ｃに対応している。尚、逆に光学スケ
ール３が時計廻りに回転した場合は、信号ａはフォトデ
ィテクタ５ｂ、信号ｂはフォトディテクタ５ａ、信号ｃ
はフォトディテクタ５ｃの出力となる。これらの信号を
基に光学スケール３の回転角度や回転量あるいは回転速
度や回転加速度等の回転情報を得ている。

【００４２】尚、図５（Ｃ）は第２領域３ｂに形成され
る像のコントラストが非常に高く理想に近い場合の理論
的な光量変化の様子を示している。

【００４３】本実施形態１における光学スケール３は、
ロータリースケールとして示している。光学スケール３
は材質をポリカーボやプラスチックとし、射出成形もし
くは圧縮成形当の製法によって作成している。図６は、
光学スケール３の断面図である。この光学スケール３
は、図６（Ｂ）に示すようにＶ溝を有する格子部３ｄが
基板３ｃの上下面の周辺に対して対向して設けた凹部７
ａ，７ｂの一方の凹部７ａに設けている。

【００４４】これによって図７に示すように筐体ＰＫと
光学スケール３の双方が接触しない理想的な図７（Ａ）
の位置から製作誤差や経時変化、そして測定中に外れ
て、例えば図７（Ｂ）のように軸３ｅのスラスト変位に
よって光学スケール３の位置がずれたとき図７（Ｃ）の
ような軸３ｅの回転に伴う光学スケール３の面ぶれによ
って位置がずれたときでも、筐体ＰＫと光学スケール３
の格子部（スケール部）３ｄ及びそれと対向する凹部が
直接接触しないようにしている。

【００４５】これによって格子部３ｄ及びそれと対向す
る凹部の面を保護し、それらを通過する光束を良好に維
持して常に安定した変位情報を得ている。

【００４６】本実施形態では光学スケールとしてロータ
リーエンコーダ用のスケールについて説明したが、リニ
アエンコーダ用のスケールについても同様に適用可能で
ある。

【００４７】即ち、基板の表裏面に設けた凹部のうちの
一方の凹部にスケール部（格子部）を設ければ実施形態
１と同様の効果が得られる。図８はリニアエンコーダに
おいて筐体ＰＫと光学スケール３１との位置関係を示す
説明図である。

【００４８】図８（Ａ）は筐体ＰＫと光学スケール３１
とが理想的な位置関係となっている場合を示している。
図８（Ａ）の理想的な位置より図８（Ｂ），（Ｃ）に示
すように光学スケール３１が筐体ＰＫの一部に接触して
も格子部３１ｄ及びそれと対向する凹部が筐体ＰＫに接
触しないようにしている。これにより格子部３１ｄ及び
それと対向する凹部の面を保護している。

【００４９】

【発明の効果】本発明によれば以上のように、筐体の一
部に光学スケールの一部を挟入し、該筐体と光学スケー
ルとの相対的な変位情報を検出する際に入射光束を光変
調する為のスケール部を設ける基板の構成を適切に設定
することにより光学スケールの一部が筐体の一部に機械
的に接触してもスケール部にキズが付いたり、破損しな
いようにし、常に高精度な変位情報を測定することがで
きる光学スケール及びそれを用いた変位情報測定装置を
達成することができる。

【００５０】特に本発明によれば筐体と光学スケールが
機械的接触をした場合でも格子部（スケール部）は傷を
得ることはなく、常に安定した移動情報を供給すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１の一部分の要部斜視図

【図２】本発明の実施形態１の一部分の要部断面図

【図３】本発明の実施形態１の一部分の光学スケールと
凹面ミラーとの説明図

【図４】本発明の実施形態１の一部分の光学スケールの
説明図

【図５】本発明の実施形態１の一部分の光学スケールの
格子部と受光手段からの信号の説明図

【図６】本発明の実施形態１の光学スケール上の再結像
した像の説明図

【図７】本発明の実施形態１における光学スケールと筐
体との位置関係を示す説明図

【図８】本発明の実施形態２における光学スケールと筐
体との位置関係を示す説明図

【図９】従来のエンコーダの要部概略図

【符号の説明】

１ 光源 ２ レンズ系 ３，３１ 光学スケール ３ａ 第１領域 ３ｂ 第２領域 ３ｃ 基板 ３ｄ 格子部 ３ｅ 回転軸 ４ 凹面ミラー ４ａ 光軸 ５ 受光手段 ７ 凹部 １０１，１０２ 入射光束 １０１ａ，１０２ａ 主光線 １０３ 信号処理回路

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 変位物体の変位情報を検出する為に用い
   られる光学スケールであって、該光学スケールは入射光
   束を所定方向に光変調させるスケール部を透明な基板の
   表裏面に対向して設けた凹部のうちの一方の凹部に形成
   していることを特徴とする光学スケール。
2. 【請求項２】 前記基板の表裏面に対向して設けた凹部
   と前記スケール部を介した光束を利用していることを特
   徴とする請求項１の光学スケール。
3. 【請求項３】 前記光学スケールはプラスチック成形よ
   り製造されたものであることを特徴とする請求項１又は
   ２の光学スケール。
4. 【請求項４】 筐体内に設けた光照射手段からの光束を
   該筐体の一部で挟んで配置した光学スケールのスケール
   部に入射させ、該スケール部で光変調した光束を該筐体
   内に設けた受光手段で受光し、該受光手段からの信号を
   用いて該筐体と光学スケールとの相対的な変位情報を検
   出する変位情報測定装置において、該光学スケールのス
   ケール部は透明な基板の表裏面に対向して設けた凹部の
   うちの一方の凹部に形成されていることを特徴とする変
   位情報測定装置。
5. 【請求項５】 前記基板の表裏面に設けた凹部は前記光
   学スケールの一部が前記筐体の一部に機械的に接触した
   場合であっても該表裏面の凹部が該筐体に接触しないよ
   うに設けられていることを特徴とする請求項４の変位情
   報測定装置。
6. 【請求項６】 光照射手段からの光束をレンズ系で集光
   して放射状のＶ溝を一定周期に配設したスケール部を円
   板上の周上に設けた回転可能な光学スケール上の第１領
   域に入射させ、該第１領域のスケール部で回折した回折
   光を凹面ミラーで反射させて該光学スケールの第２領域
   に入射させ、該第２領域のスケール部を介した光束を受
   光手段で受光することにより、該光学スケールの変位情
   報を検出する変位情報検出装置において、該第１領域と
   第２領域は該光学スケールの回転軸の半径方向に対して
   異なった領域の凹部に形成しており、該第１領域のスケ
   ール部からの±ｎ次回折光は該凹面ミラーの面又はその
   近傍に集光しており、該凹面ミラーは該光学スケールの
   第１領域を第２領域に偏心系で結像していることを特徴
   とする変位情報測定装置。