JPS63503565A - 光電スケール読取装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 光電スケール読取装置 技術分野 本発明は、離隔配置された線によって規定されたスケールと、前記線の間隔の方 向に前記スケールに対して相対的に移動可能な読取ヘッドと、該読取ヘッドに実 装された複数のユニットであって、その各々がスケールのある領域を照射する発 光装置、その照射領域からの光を受ける受光装置および前記発光装置と受光装置 との間の光路に配置されて、スケールと読取ヘッドとの相対的移動に対応する光 変調を各々のユニットに対して発生させる格子手段を有する複数のユニットとを 備えた種類の光電スケール読取装置であって、それぞれのユニットの光変調を位 相シフト関係で発生させるようにした光電スケール読取装置に関する。移動の方 向と、場合によっては、スケール線間の位置補間を決定するためには、位相シフ ト関係が必要である。

背景技術 この種の装置は英国特許第１，５０４，６９１号で広く知られている。この公知 装置によれば、光変調はモアレしまの形態になっており、またユニットは９０° 間隔の位相でこれらのモアレじまを読み取るように配置されている。これらのユ ニットは、スケール線の長さ方向に沿ってスケール線の異なる部分からそれぞれ の位相を読み取るように配置されている。その結果、読取ヘッドとスケールとの 間に多少でもヨー　ミスアライメント（ｙａｗ　ｍｉｓａｌｉｇｎｍｅｎｔ）が あると、その結果としてのモアレ誤差が重大な位相誤差を誘因し、その結果、補 間が困難になる。このヨー　ミスアライメントとは、スケール線の長さ方向とス ケール線の間隔の方向とに対し法、線をなす軸のまわりにおける角度方向の位置 ずれである。モアレ誤差とは、モアレじまの間隔誤差である。位相誤差とは、前 記ユニット間の位相間隔がそれぞれの正規値である９０°と異なる場合に発生す る誤差のことである。

また、公知の装置では、スケール線の長さ方向に沿ってスケール線の異なる部分 からそれぞれの位相を読み取るので、これらの線の長さ方向の直線性、平行性、 および反射性などのパラメーターの変化に対して敏感である。

発明の開示 上記困難さは、本請求の範囲第１項に記載されているように、発光装置が、これ ら発光装置のすべてにほぼ共通するスケールの領域を照射するように、それぞれ のユニットを配置したことを特徴とする装置によって、軽減または回避される。

図面の簡単な説明 以下、添付図面を参照して本発明の実施例について説明する。

第１図は、本発明装置の第１実施例を示す断面図である。

・第２図は、第１図中のＩＩ−ＩＩＸ線断面図関連回路図と共に示す図である。

第３図は、上記回路図に関連するベクトル配置の説明図である。

第４図は、第２図の拡大図を関連位相図と共に示す図である。

第５図は、第４図に類似するが、それに変更を加えた図である。

第６図は、本発明装置の第２実施例を示す断面図である。

第７図は、本発明装置の第３実施例を示す断面図である。

第８図は、第７図中のＶｌｌｌ−Ｖｌｌｌ線断面図である。

第９図は、本発明の第４実施例を示す図である。

第１０図は、第９図中のＸ−Ｘ線断面図である。

第１図ないし第４図を参照するに、直交座標系のＸ、Ｙ、Ｚ座標を参照して本発 明に係る装置について対して移動可能になっている。スケール１１は、Ｙ軸方向 に延在し、かつＸ軸方向に間隔を置いて配置されたスケール・マークをもつ本体 １６を有する。これらの線はスケール１１のＸＹ座標面１８上に置かれている。

読取ヘッド１０は、ＸＹ面に直交する光軸１２Ｚをもつ軸対称コリメートレンズ １２の形態のコリメータ系を有する。

レンズ１２は、そのコリメート側がスケール１１に面するように配置されている 。レンズ１２の他側、つまり焦点側は３個の発光装置１５と３個の受光装置２５ とからなる配列（アレイ）に面しており、これらの発光装置１５と受光装置２５ はすべて軸１２２に直交する共通ＸＹ面において軸１２Ｚのまわりに配置されて いる。本実施例では、発光装置１５および受光装置２５は光電ダイオードである 。各発光装置１５は実質的に拡散光の点光源であって、軸１２Ｚに対し半径方向 のオフセット１５Ｒだけ離隔配置されている。その結果、レンズ１２からは平行 化（コリメート）された入射光ビーム１３が得られ、軸＋３Ｈに沿って軸１２２ に向けて投光される。明らかなように、オフセット１５Ｒにより、それぞれのビ ーム１３に関連する軸１３Ｒは共通点３０Ｐで交差し、そしてビーム１３はＸＹ 面に位置する共通領域３０で交差する。Ｚ軸方向における読取ヘッドｌＯとスケ ール１１との相対位置を適切に定めて、領域３０が面１８に位置するようにする 。

入射ビーム１３はスケール１１によって反射されて、軸１４Ｒをもつ反射ビーム １４が得られる。レンズ１２はビーム１４を各受光装置２５に合焦させる。これ ら受光装置２５は、オフセット１５Ｒに対応する半径方向のオフセット２５Ｒだ け軸ｆ２Ｚから離隔している。

発光装置１５によってレンズ１２を共通にもつ１群の発光装置を定義し、受光装 置２５によフてレンズ１２を共通にもつ１群の受光装置を定義することができる 。本実施例では、レンズ１２は前記グループの双方に共通している。

第２図および第４図に示すように、°３対の互いに関連のある発光装置と受光装 置１５Ａと２５Ａ；　１５Ｂと２５８：１５Ｃと２５Ｇがある。ここで、各対の ２つの素子、例えば、１５Ａと２５Ａは、レンズ１２によって要求されているよ うに、軸１２Ｚの直径方向に対向する側に配置されている。本実施例では、発光 装置および受光装置を適切に配置して、発光装置は、軸１２２の一方の側でＸ軸 方向に延在する線１５Ｘに沿って間隔を置いて配置され、受光装置は、軸１２２ の他側でＸ軸方向に延在する線２５Ｘに沿って発光装置に対応するように間隔を 置いて配置されている。発光装置１５と受光装置２５の各対は、レンズ１２とス ケール１１との間の投光ビーム１３および反射ビーム１４内にそれぞれが配置さ れている一対の格子３５および４５と関連づけられている。従って、発光装置と 受光装置の苅１５Ａと２５Ａ、　１５Ｂと２５Ｂ、　１５Ｃと２５Ｃのそれぞれ に関連づけられて、３つの格子対３５Ａと４５Ａ；３５Ｂと４５Ｂ：　３５Ｃと ｌｌ５Ｃが設けられている。これらの格子３５および４５は共通のＸＹ面内に置 かれ、スケール１１の線１７に平行な線３７および４７によって限界されている 。

発光装置１５および受光装置２５の各対とそれに関連する対の格子３５および４ ５は、位相ユニット４６と称することにする。各位相ユニット４６を適切に設計 して、スケールと読取ヘッドが前記の相対移動を行なフている間に、関連する受 光装置２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃがそれぞれの正弦波光変調Ｍ（それぞれＭＡ、Ｍ Ｂ、ＭＣで示す）を受光するようにする。これらの光変調はスケール１１がそれ ぞれの位相ユニット４６の格子３５および４５と光学的に相互作用することによ って発生する。光変調Ｍはスケール線１７のピッチに対し一定の周期をもってい る。しかし、各光変調Ｍは、受光装置の開口上に分布する明暗が交互に現れるモ アレしまとみなすことがでとる。

線１７，３７．４７が完全に平行であるかぎり、モアレじまの周期は無限である と云われる。そうでなければ、その周期は有限である。

各格子対の格子３５および４５は、他の対の各々の対応する位相間隔から公称上 は１２０°だけオフセットされた位相間隔をもフている。言い換えれば、隣り合 うＭＣ，ＭＡ間の位相間隔は公称上は１２０°である（第４受光装置２５からは 、光変調Ｍと同じ位相間隔をもつ電気出力Ａ、Ｂ、Ｃが得られる。

光変調Ｍは、本願人の国際出願第ＰＣＴ／ＧＢ８５１００６００号明細書に記載 されているように、スケールと格子の光学的相互作用あるいは同様の他の方法に よって発生させることが可能である。

信号Ａ、Ｂ、Ｃは信号値Ｂ−ＡとＢ−Ｃを発生する差動増幅器５１および５２お よび信号値Ａ−Ｃと２Ｂ＝（Ａｒｃ）を発生するように接続された差動増幅器５ ３および５４を有する回路に供給される。信号値Ａ−Ｃと２８−（Ａｒｃ）は、 信号Ａ、Ｂ、Ｃのいずれか１つの正弦項と余弦項をそれぞれ定義している。回路 ５０は、光変調の正弦項および余弦項を、光のレベルに関係なく、３位相信号よ り導出するように動作する。４位相信号より導出することも可能であるが、４位 相の場合には、通常、発光装置と受光装置の対が４組必要になるのに対し、３位 相の場合には発光装置と受光装置の対を３組しか必要とせず、しかもこれら対は レンズの開口に容易に収容できるので、本発明においては３位相の方が適切であ る。

第３図に示すように、３出力Ａ、Ｂ、ＣはベクトルＡＩ、Ｂｌ、ＣＩとして示し である。ベクトルＡ１およびＢ１は、それぞれ、ベクトルＢ１に対して進み、お よび遅れている。ベクトル和−（ＡＩ＋ＣＩ）は、ベクトルＢ１と同一位相角を もち、ベクトルＡ１と０１との間に現れており、ベクトル和２Ｂ−（Ａｒｃ）は 図示のようにベクトルＢ１に重なっている。ベクトル和Ａｌ−ＣｌはベクトルＢ １に対し９０度の角度でベクトルＡ１とＢ１との間に現れている。このことは、 項２Ｂ−（Ａｒｃ）とＡ−Ｃとの間に正弦および余弦の関係があることを意味す る。この９０度の関係は、ベクトルＡ１およびｃｌが、それぞれ、ベクトルＢ１ に対して同量だけ進み、および遅れている限り保持され、そして、この関係はベ クトルＡ１とＣ１との間およびＣ１と８１との間の位相角の絶対値によって（妥 当な範囲内において）乱されることがない。また、回路５０はこれら位相誤差が 均等である限り、つまり、ベクトルＡ１およびｃｌが上述したようにベクトルＢ １に対して同量だけ進み、および遅れている限り、位相誤差を補償するように動 作する。

次に、製造時の許容誤差から発生するおそれのある誤差に対し本発明の装置がど のように処理するかについて説明する。上述の説明から明らかなように、軸１３ Ｒは共通点３０Ｐで交差し、したがって領域３ｏが３つの位相ユニット４６に共 通するようになっているので、本発明による装置はスケールの異なる部分間の反 射率の変動や位相差による誤差にほとんど影響されない。

また、３位相または多分４位相ユニットの場合に、Ｙ軸方向に間隔を置いて個別 にスケール領域を設ける必要のあるスケールに比べて、本発明によるスケール１ １はＹ軸方向に狭くすることがで籾る。

ヨー　ミスアライメントとそれに伴って生じるモアレおよび位相誤差については 、Ｚ軸、たとえば軸１２２のまわりにおけるスケール１１に対する読取ヘッド１ ｏの角度位置が、線１７．３７．４７が平行にならないような位置である場合に は、ヨー誤差が生じる。この結果、モアレ誤差が生じることになる。つまり、モ アレじまの周期が有限になり、これに対応して光変調Ｍの位相間隔が変化するこ とになる。しかし、軸１３Ｒは共通点３０Ｐで交差しているので、その配置は各 ユニット４６が概念的に軸１２２上にあるのと光学的には琢価である。

従って、光変調Ｍ間の位相間隔は変化しないままである。

読取ヘッドの離隔位置、つまり、Ｚ軸方向における読取ヘッドｌＯとスケール１ １との間隔における許容誤差によって、共通点３０Ｐが正確に面１８に位置しな いことがあり得る。その結果、発光装置と受光装置はＸ軸方向に整列しているの で、三角測定（ｔｒｉａｎｇｕｌａｔｉｏｎ）による位相誤差が発生することに なる。この事態は、第５図に示すように、Ｘ軸方向にではなく、Ｙ軸方向にそれ ぞれの線に沿って発光装置および受光装置を配置することにより、除去または軽 減することができる。

この結果、軸１３Ｒは同一点３０Ｐで面１８に交差しないで、３つの点で交差す ることになる。つまり、その１つは軸１２２上の点であり、他の２つはＹ軸方向 に軸１２２の反対側に離隔して配置されているので、位相誤差が発生することが ない。しかし、発光装置と受光装置がこのように整列されているときは、ヨー　 ミスアライメントによって、有限周期のモアレじまが発生し、その結果、隣り合 う対の光変調Ｍ間に等しい位相誤差が発生することになる。等位相誤差は上述し たように回路５０で除去できるので、この状態は許容することができる。

第６図に示す装置は第１図ないし第４図に示した装置と類似しているが、透過ス ケール２１１に適用されるもので′ある。本装置は３つの位相ユニット２４６を 有し、ここで、３個の発光装置１５が第１コリメート・レンズ２１２を照射し、 このレンズ２１２によって共通領域３０に集束するコリメート・ビーム２１３を 得て、その共通領域３０から出射ビーム２１４として現れるビームを集束レンズ ２１２Ｆによってそれぞれの受光装置２２５上に合焦させる。ビーム２１３およ び２１４内の格子２３５および２４５によって、第１図ないし第４図を参照して 説明したのとほぼ同じように、光変調を発生する。レンズ２１２は発光装置群１ ５に共通である。レンズ２１２Ｆは受光装置群２５に共通である。いずれのグル ープについても、場合に応じて、その発光装置または受光装置用のレンズを個々 に設けることも可能である。

第７図および第８図に示す装置は、３つの位相ユニット３４６からなり、ここで ３個の発光装置３１５がそれぞれのユニットに対する個別のコリメート系を形成 するそれぞれのコリメート・レンズ３１２を照射する。レンズ３１２によフて、 スケールｌｌ上の共通領域３０に集束するそれぞれの集束軸３１３Ｒに沿うコリ メート・ビーム３１３が得られる。共通領域３０からビーム３１４の形態で反射 された光ビームは集束レンズ３１２Ｆを通ってそれぞれの受光装置３２５に導か れる。格子３３５および３４５そしてビーム３１３および３１４によって、第１ 図ないし第４図を参照して説明したのとほぼ同じように光変調を第９図と第１０ 図に示す装置は、３つの位相ユニット４４６を有し、その発光装置１５と受光装 置２５は、はぼ、Ｘ軸方向に延在する共通線１５／１５Ｘ上に配置されているか 、あるいは、はぼ、Ｙ軸方向に延在する共通線１５／２５Ｙ上に配置されている 。軸１２Ｚに最も近い位置の発光装置と受光装置の対１５．２５は、図示のよう に直接隣り合わせて配置してもよい。

以上の説明から理解されるように、発光装置の各々を光伝送ファイバの一端で構 成し、その他端を適当な受光ダイオードに接続することが可能である。軸１２ｚ に最も近接して配置される発光装置と受光装置の対に関しては、この対は同軸の 発光／受光装置で構成することも、あるいは軸１２２と同軸の１本の光伝送ファ イバ端で構成し、入射光と反射光の双方を伝送するようにすることも可能である 。

国際調査報告 ＡＮＮＥＸＴｏＴ５ＩＳ’Ｔ三：１−ＮＡτ：０ＮＡＬＳ三ＡＲＣＭＲＥ？ＣＲ ＴＯＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）離隔した線（１７）によって規定されたスケール（１１；２１１）と、 該スケール（１１；２１１）に対して前記線（１７）の間隔の方向に移動可能な 読取ヘッド（１０）と、該読取ヘッド（１０）に実装された複数のユニット（４ ６；２４６；３４６；４４６）とを有し、各ユニットは、前記スケール（１１； ２１１）の領域（３０）を照射するための発光装置（１５）と、 前記照射領域（３０）から光を受光するための受光装置（２５）と、 前記発光装置（１５）と受光装置（２５）との間の光路に配置され、スケール（ １１；２１１）と読取ヘッド（１０）との相対的移動に対応する光変調（Ｍ）を 各々のユニット（４６；２４６；３４６；４４６）に対して発生させるための格 子手段（３５，４５）とを有し、それぞれのユニット（４６；２４６；３４６； ４４６）の光変調（ＭＡ，ＭＢ；ＭＣ）を位相シフト関係で発生するようにした 光電スケール読取装置において、 前記ユニット（４６；２４６；３４６；４４６）は、それぞれの発光装置（１５ ）が当該すべての発光装置（１５）にほぼ共通するスケール（１１；２１１）の 領域（３０）を照射するように配置されたことを特徴とする光電スケール読取装 置。 ２）コリメート光ビーム（１３）を発生するように前記各発光装置（１５）に関 連づけられており、およびそれぞれの発光装置（１５）に関係するビーム（１３ ）がほぼ共通点（３０Ｐ）で交差する軸（１３Ａ）に沿って伝わるように配置さ れた手段を具えたことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の光電スケール読取 装置。 ３）軸（１２Ｚ；２１２Ｚ；３１２Ｚ）をもつ光学コリメート系（１２；２１２ ；３１２）を具え、それぞれのユニット（４６；２４６；３４６；４４６）に関 係する発光装置は、該光学コリメート系１１２；３１２）の合焦側において、前 記軸（１２Ｚ）から間隔を置いた位置に、かつ該光学コリメート系（１２）のコ リメート側で発光装置（１５）によって発生されたコリメート・ビーム（１３） が共通点（３０Ｐ）でほぼ交差するように配置されたことを特徴とする請求の範 囲第１項に記載の光電スケール読取装置。 ４）光学コリメート系（１２）は、前記発光装置（１５）および受光装置（２５ ）をそれぞれ構成するグルーブのうちの少なくとも１つに共通なコリメート・レ ンズ（１２）を有することを特徴とする請求の範囲第３項に記載の光電スケール 読取装置。 ５）前記光学コリメート系（３１２）は、前記発光装置（１５）および受光装置 （２５）をそれぞれ構成するグルーブのうちの少なくとも１つのための個別のコ リメート・レンズ（３１２）を有することを特徴とする請求の範囲第３項に記載 の光電スケール読取装置。 ６）前記スケール（１１）は反射性であり、前記受光装置（２５）は前記スケー ル（１１）と同じ側に配置されたことを特徴とする請求の範囲第４項または第５ 項に記載の光電スケール読取装置。 ７）前記スケール（２１１）は透過性であり、前記発光装置（１５）および受光 装置（２５）は前記スケール（２１１）に対して反対側に配置されたことを特徴 とする請求の範囲第４項または第５項に記載の光電スケール読取装置。 ８）それぞれのユニット（４６；２４６；３４６；４４６）に関係する発光装置 （１５）は、前記スケール線（１７）の間隔の方向（Ｘ）に平行な線（１５Ｘ） に沿って、配置されたことを特徴とする請求の範囲第１項ないし第７項のいずれ かの項に記載の光電スケール読取装置。 ９）それぞれのユニット（４６；２４６；３４６；４４６）の発光装置（１５） は、前記スケール線（１７）の間隔の方向（Ｘ）に対して直角をなす線（１５Ｙ ）に沿って離隔配置されたことを特徴とする請求の範囲第１項ないし第８項のい ずれかの項に記載の光電スケール読取装置。 １０）３つの前記ユニット（４６；２４６；３４６；４４６）と、前記光変調（ Ｍ）の位相間に直角位相関係を規定する信号（正弦，余弦）を形成するための手 段（５０）とを具えたことを特徴とする請求の範囲第１項ないし第９項のいずれ かの項に記載の光電スケール読取装置。