JPS6152403B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、光学的位置検出装置、特に精密な位
置読み取りや精密な位置決めを必要とする各種の
精密測定器、工作機械などに使われる光学的なリ
ニアエンコーダに係り、光ビームメモリなどの情
報検索装置における微細間隔の位置検出を高速、
高精度かつ使いやすくした光学的位置検出装置に
関するものである。

従来のこの種の直線的な光学的位置検出装置と
しては、固定のメインスケールとそれと対向させ
た可動のインデツクススケールを用いたリニアエ
ンコーダが知られている。これは、メインスケー
ル、インデツクススケールとも等間隔の白黒格子
状マークを有する直線状のスケールを用い、両ス
ケールを非接触状態で動かして互いの格子状マー
クの位相ずれから移動量を光電的に検出してお
り、位置検出分解能は、格子縞状マークのピツチ
間隔で決定されるため、微細間隔の位置検出には
ピツチを小さくすることが必要である。しかしな
がら、ピツチ間隔を小さくした場合には、光の回
折などの現象により信号のＳ／Ｎが著しく劣化
し、また一方、Ｓ／Ｎを良くするためには光学的
なリニアエンコーダのメインスケールとインデツ
クススケールとのクリアランスを極めて小さく、
かつ一定に保たねばならない欠点があつた。

また、スケール（メインスケール）表面に対し
て暗視野照明方式により、照明をあてスケール上
目盛線から乱反射された光束を、互いに位相のず
れたスリツトを持つ等分割補助回盛板に投影して
発生させた例もあるが、互いに位相のずれた信号
を作り出すために、前記リニアエンコーダのイン
デツクススケールに相当する互いに位相のずれた
スリツトを持つ等分割補助目盛板および光電増倍
管等の光検出素子を必ず対で使用する必要があ
り、しかも、対物レンズで作られたスケール上目
盛線の像位置にスリツトを配置しなければなら
ず、スリツトを持つ等分割補助目盛板の調整も極
めて面倒となる欠点があつた。

本発明は、このような従来の欠点を除去したも
ので、インデツクススケールを用いずに集光レン
ズを利用し、光源からの光の光路を２チヤンネル
に分割して固定のメインスケール上の白黒のパタ
ーンのピツチ間隔の半分程度に絞つてこのメイン
スケール上に直接照射し、かつ調整の面倒なスリ
ツトを持つ等分割補助目盛板を用いることなく位
相をずらした２つの信号を形成することによつ
て、Ｓ／Ｎ比の良い位置信号を得るようにしたも
ので、固定のメインスケールと可動の光学的読取
りヘツドとの間隔が十分にとれ、しかも互いの距
離間隔の変動があつても位置信号のＳ／Ｎを劣化
させない光学的位置検出装置を提供するものであ
る。

以下図面について詳細に説明する。第１図は本
発明の第１の実施例を示す光学的位置検出装置の
構成概略図を示す。図中１は固定スケールであ
り、第２図に示すように直線上に長さｌのピツチ
で幅ｌ／２の光透過用白縞および幅ｌ／２のたと
えばクロム等の金属膜で形成される黒縞が交互に
格子縞状に配列された位置検出マークを有してお
り、２は可動読取りヘツドであり、図に示す矢印
AB方向すなわち固定スケール１の長手方向に相
対的に変位できるものである。３は光源で、本実
施例では半導体レーザを用い、しかもこの半導体
レーザ３は本実施例ではその発振光の偏光の向き
を紙面45゜の角度となるように回転調整して備え
付けている。４はコリメータレンズで、上記半導
体レーザ３から出射した光束は、半導体レーザ３
の構造によつて決まる広がり角度にてこのコリメ
ータレンズ４に入射し、平行光束となつて出射す
る。コリメータレンズ４から出射した平行光束
は、第１偏向膜５を有する第１偏光プリズム６に
入射し、この第１偏光膜５の働きにより半分の光
量が反射するが、この反射光束の偏光の向きは本
実施例では紙面と直交方向となる。それと同時
に、第１偏光プリズム６に入射した光束は、第１
偏光膜５の働きにより半分の光量が透過し、その
透過光束の偏向の向きは本実施例では紙面内とな
る。

第１偏光プリズム６で反射した光束は、第１四
分の一波長板７に入射し、この第１四分の一波長
板７を透過した光束は円偏光に変換されて、第１
集光レンズ８に入射する。第１集光レンズ８を出
射した光束は、固定スケール１上に焦点を結び、
第２図に示すようにスポツトSP１を形成する。
スポツトSP１のスポツト径は、固定スケール１
のピツチの半分ｌ／２程度にすることが望まし
い。固定スケール１を反射した光束は、入射時の
光束と比べて逆廻りの円偏光となつて、入射時の
光路を逆に戻つて再び第１集光レンズ８を透過
し、再度第１四分の一波長板７に入射して偏光の
向きが変換され本実施例ではこの第１四分の一波
長板７の透過光束の偏光の向きは紙面内となつて
再び第１偏光プリズム６に入射する。第１偏光プ
リズム６に入射した光束は、第１偏光膜５の働き
により、紙面内に直線偏光しているのですべて透
過し、第１光検出素子９に入射する。

一方、第１偏光プリズム６を透過した光束は、
直線偏光の偏光の向きを90゜回転させる素子であ
る90゜ローテータ１０に入射し、この90゜ローテ
ータ１０を透過した光束の偏光の向きは本実施例
では紙面と直交方向となる。この90゜ローテータ
１０から出射した光束は、第２偏光膜１１を有す
る第２偏光プリズム１２に入射し、この第２偏光
膜１１の働きにより本実施例では偏光の向きが紙
面と直交方向の直線偏光はすべて固定スケール１
の方向に反射される。この第２偏光プリズム１２
で反射した光束は、前述の第１偏光プリズム６で
反射した光束と同様の振舞いを経過し、すなわ
ち、第２四分の一波長板１３と第２集光レンズ１
４を透過して固定スケール１上に焦点を結び、第
２図に示すようにスポツトSP２を形成する。固
定スケール１を反射した光束は、入射時の光路を
逆に戻つて第２集光レンズ１４と第２四分の一波
長板１３および第２偏光プリズム１２を透過し
て、結局第２偏光プリズム１２に入射した光束が
すべて、第２光検出素子１５に入射することとな
つた。

このようにして、第１および第２の光検出素子
に入射する固定スケール１からの反射光束の平均
光量を等しくすることができ、かつ半導体レーザ
３からの光量の減衰をなくすことが可能となる。
なお、以上で述べてきた構成部品３から１５まで
の13部品はすべて可動読取りヘツド２に固定して
搭載されている。

第３図は、本発明の第２の実施例を示す光学的
位置検出装置の構成概略図を示す。本実施例で
は、第１の実施例と比較して半導体レーザ３の位
置を変更し、第１の光束は第１偏光プリズム６を
透過した光束として発生させ、一方、この第１偏
光プリズム６を反射した光束は本実施例では紙面
と直交方向たる偏光の向きとなつて第２偏光プリ
ズム１２に入射する。したがつて、第１の実施例
で使用した90゜ローテータ１０が不要となり省く
ことが可能である。

第４図は、固定スケール１上での第１集光レン
ズ８および第２集光レンズ１４によるそれぞれの
集光スポツトSP１およびSP２の相対的位置関係
を説明する説明図で、ａとｂとはスポツトSP１
とSP２とが固定スケール１上の位置検出マーク
の距離の離れた格子縞状に形成される例を示し、
ｃとｄとはスポツトSP１とSP２とが固定スケー
ル１上の位置検出マークの隣接した格子縞状に形
成される例を示している。第１図に示した第１の
実施例および第３図に示した第２の実施例ではと
もに、第４図に示してあるａ〜ｄの４つの集光ス
ポツトの位置関係のいずれをもとることが可能で
ある。この第４図においてａとｃとは２つの集光
スポツトSP１およびSP２の相対的な位相関係が
180゜位相差となつている例を示しており、一
方、第４図ｂとｄとは２つの集光スポツトSP１
およびSP２の相対的な位相関係が90゜位相差と
なつている例を示している。

第５図は、第４図に示した集光スポツトの位置
関係から得られる位置信号を説明する説明図で、
集光スポツトSP１およびSP２が固定スケール１
上の位置検出マークの白縞（または黒縞）の幅
ｌ／２程度の場合に、集光スポツトが格子縞状の
位置検出マークを横切つたときの光検出素子に発
生する電圧は第５図に示すような疑似正弦波とな
る。この第５図のａは、第４図のａとｃの如く２
つの集光スポツトSP１およびSP２の相対的な位
相関係が180゜位相差の場合の位置信号出力例を
示すもので、一方の出力が実線、他方の出力が破
線のような波形となる。この２つの位置信号出力
の差をとると、第５図ｂに示すように、バイアス
分が打消されて０を中心とした位置信号を得る。
また、第５図ｃは、第４図のｂとｄの如く２つの
集光スポツトSP１およびSP２の相対的な位相関
係が90゜位相差の場合の位置信号出力例を示すも
ので、一方の出力が実線、他方の出力が破線のよ
うな波形となり、この場合には、右方向移動か左
方向移動かの情報を持つこととなり、可逆性の位
置情報を有するものとなる。

第６図は、本発明の第３の実施例を示す光学的
位置検出装置の構成概略図を示す。本実施例で
は、第２の実施例と比較して、第１偏光プリズム
６と第２偏光プリズム１２とを一体として偏光プ
リズム６１を用い、第１四分の一波長板７と第２
四分の一波長板１３を一体として四分の一波長板
７１を使用し、さらに、第１集光レンズ８と第２
集光レンズ１４を一体として円筒レンズ８１に置
き換えている。第６図ａでは、固定スケール１の
長手方向が紙面と垂直方向にある図を示してい
る。一方、ｂは、円筒レンズ８１と固定スケール
１の２つだけを取り出して、固定スケール１の長
手方向を紙面と平行に配置したときの円筒レンズ
８１の集光性を説明しているもので、この第６図
に図示した如く、円筒レンズ８１は一方向にのみ
集束作用を持つので、固定スケール１上では細長
い形状のスポツトとなり、固定スケール１の長手
方向に集束作用を持つように可動読取りヘツド２
を構成することによつて位置検出が可能である。

以上の実施例で使用する第１集光レンズ８、第
２集光レンズ１４、円筒レンズ８１は、固定スケ
ール１上の位置検出マークのピツチ間隔ｌの1/2
程度のスポツト径まで集束させるべく選定され
る。したがつて、たとえば、第１の実施例では、
ｌ＝12μｍとすると、第１集光レンズ８および第
２集光レンズ１４として開口数NA＝0.1、作動距
離WD＝５mmの対物レンズを用い、半導体レーザ
３として波長λ＝8300Åのものを使用するとき分
解能εは最小で約5.1μｍとなり、さらに、焦点
ずれに関与する焦点深度は30μｍ程度となつて、
従来技術と比較しても光学的位置検出装置の製
造・組立精度についても過度な高精度とならず、
容易に補完し得る誤差許容値である。

なお、本実施例では光源として半導体レーザを
用いたが、通常の白熱光や発光ダイオードを使つ
てもよく、また、偏光プリズムと四分の一波長板
を組合せて使用する代りに、ハーフミラーを置換
えて用いても可能である。

以上実施例に説明したように、本発明によれ
ば、作動距離の長い数mm以上の集光レンズを使用
することができ、可動読取りヘツドと固定スケー
ルとの距離間隔を長くすることができる。また、
この可動読取りヘツドと固定スケールとの互いの
距離間隔の変動があつても位置信号のＳ／Ｎを劣
化させないように焦点深度も深くとれることにな
るので、固定スケールの面精度や取付け精度、可
動読取りヘツド用ガイド機構の製造精度や取付調
整精度等々、高度な技術を要せず、取扱いが楽
で、経済的にも安価な位置検出装置となる利点を
有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す光学的位
置検出装置の概略構成図、第２図は固定スケール
上の位置検出マークの説明図、第３図は本発明の
第２の実施例を示す光学的位置検出装置の概略構
成図、第４図は固定スケール上に入射した集光ス
ポツトの位置関係の説明図、第５図は位置信号説
明図、第６図は本発明の第３の実施例を示す光学
的位置検出装置の概略構成図である。 １…固定スケール、２…可動読取りヘツド、３
…半導体レーザ、４…コリメータレンズ、５…第
１偏光膜、６…第１偏光プリズム、７…第１四分
の一波長板、８…第１集光レンズ、９…第１光検
出素子、１０…90゜ローテータ、１１…第２偏光
膜、１２…第２偏光プリズム、１３…第２四分の
一波長板、１４…第２集光レンズ、１５…第２検
出素子、１６…反射膜、６１…偏光プリズム、７
１…四分の一波長板、８１…円筒レンズ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 直線上に長さｌのピツチで幅ｌ／２で配列さ
   れた位置検出マークを有する固定スケールと、可
   動の光学的読取りヘツドとを備える光学的位置検
   出装置において、光学的読取りヘツドとして、光
   源と、上記光源から出射された光束を平行光束と
   するコリメータレンズと、上記コリメータレンズ
   から出射された上記平行光束を反射しもしくは透
   過させる第１の光線分割素子と、上記第１の光線
   分割素子から反射もしくは透過された第１の光束
   を上記固定スケール上に集光して第１のスポツト
   を形成させる集光レンズと、上記固定スケールに
   より反射されてきた光量に応じた電気信号を発生
   させる第１の光検出素子と、上記第１の光線分割
   素子を透過もしくは反射された第２の光束を反射
   させる第２の光線分割素子と、上記第２の光線分
   割素子から反射された上記第２の光束を上記固定
   スケール上に集光して第２のスポツトを形成させ
   る集光レンズと、上記固定スケールにより反射さ
   れてきた光量に応じた電気信号を発生させる第２
   の光検出素子を備え、位相をずらせた２つの信号
   を形成するようにしたことを特徴とする光学的位
   置検出装置。