(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動物体に取り付けた光の反射率と透過率が周期的に変化する移動スリットに光源から光を投射し、移動スリットによる透過光と回折光をレンズで収斂させ、移動スリットによる透過光と回折光の像がほぼ等ピッチで重なる位置に設けられ、移動スリットのピッチの１／ｎピッチを有する固定スリットに入射し、固定スリットを透過した光を受光素子で受光し、受光素子の出力から移動物体の移動量を検出することを特徴とするエンコーダ。
【請求項２】
上記回折光の１次光を利用する請求項１記載のエンコーダ。
【請求項３】
上記固定スリットは１／４ピッチずらせた２つの領域を有し、各領域からの光をそれぞれ受光素子で検出する請求項１又は２に記載のエンコーダ。
【請求項４】
上記固定スリットは１／４ピッチずらした３つの領域を有し、各々の領域からの透過する光をそれぞれ受光素子で検出し、相隣合う二つの受光素子からの出力の差を２組演算する請求項１又は２に記載のエンコーダ。
【請求項５】
上記固定スリットは第１の領域の透過部と反射部と１／４ピッチ位相が異なる透過部と反射部を有する第２の領域と、第２の領域の透過部と反射部と１／２ピッチ位相が異なる透過部と反射部を有する第３の領域と、第３の領域の透過部と反射部と１／４ピッチ位相が異なり、第１の領域の透過部と反射部と１／２ピッチ位相が異なる透過部と反射部を有する第４の領域を設け、各領域からの光をそれぞれ受光素子で検出し、第１の領域からの光を受光した受光素子の出力と第２の領域からの光を受光した受光素子の出力の差を演算し、第３の領域からの光を受光した受光素子の出力と第４の領域からの光を受光した受光素子の出力の差を演算する請求項１又は２に記載のエンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、各種の工作機械や複写機などの移動する物体の移動量を検出する測長機器や計測装置に使用するエンコーダに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
スケールの移動距離を光学的に検出するの装置としては、例えば特開昭５９−１６３５１７号公報に示されているように各種の装置は使用されている。従来の光学的スケール読取装置は、図１５に示すように、光源４１からの光を偏光ビームスプリッタ４２によって直交する２つの直線偏光に分離し、分離した直線偏光をそれぞれ１／４波長板４３，４４を通して円偏光とし、ミラー４５，４６を介して回折格子のスケール４７に照射する。スケール４７に照射された光をそれぞれ回折してレンズ４８に入射してレンズ４８と一体化されたミラー４９で反射し、同じ光路を通って１／４波長板４３，４４まで戻す。そこで入射の際とは９０度傾きの異なる直線偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ４２により光源４１の方向と異なる方向へ出射する。偏光ビームスプリッタ４２から出射した光は１／２波長板５０を通り偏光面を４５度回転して偏光ビームスプリッタ５１に入射し２つの直線偏光に分けられる。偏光ビームスプリッタ５１で分離された直線偏光はそれぞれ偏光板５２，５３を通り、偏光面が４５度異なる偏光をフォトダイオード５４，５５に入射する。この２つフォトダイオード５４，５５から出力する４５度位相が異なる信号からスケール４７の移動距離を検出している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来の装置で高い分解能を得るためには、偏光ビームスプリッタや偏光子等を多くの部品点数を必要とし、コスト高になるという短所があった。この発明はかかる短所を改善し、簡単な構成で高い分解能を得ることができるエンコーダを提供することを目的とするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るエンコーダは、移動物体に取り付けた光の反射率と透過率が周期的に変化する移動スリットに光源から光を投射し、移動スリットによる透過光と回折光をレンズで収斂させ、移動スリットによる透過光と回折光の像がほぼ等ピッチで重なる位置に設けられ、移動スリットのピッチの１／ｎピッチを有する固定スリットに入射し、固定スリットを透過した光を受光素子で受光し、受光素子の出力から移動物体の移動量を検出することを特徴とする。この回折光は１次回折光を利用すると良い。
【０００９】
また、上記固定スリットは１／４ピッチずらせた２つの領域を有し、各領域からの光をそれぞれ受光素子で検出したり、固定スリットに１／４ピッチずらした３つの領域を設け、各々の領域からの透過する光をそれぞれ受光素子で検出し、相隣合う二つの受光素子からの出力の差を２組演算したり、固定スリットに第１の領域の透過部と反射部と１／４ピッチ位相が異なる透過部と反射部を有する第２の領域と、第２の領域の透過部と反射部と１／２ピッチ位相が異なる透過部と反射部を有する第３の領域と、第３の領域の透過部と反射部と１／４ピッチ位相が異なり、第１の領域の透過部と反射部と１／２ピッチ位相が異なる透過部と反射部を有する第４の領域を設け、各領域からの光をそれぞれ受光素子で検出し、第１の領域からの光を受光した受光素子の出力と第２の領域からの光を受光した受光素子の出力の差を演算し、第３の領域からの光を受光した受光素子の出力と第４の領域からの光を受光した受光素子の出力の差を演算したりすると良い。
【００１０】
【発明の実施の形態】
この発明のエンコーダは、光源と固定スリットとレンズと移動スリットと受光素子及びカウンタを有する。固定スリットは一定ピッチで光を透過する透過部と反射する反射部が多数平行に設けられている。移動スリットも光の反射する部分と透過する部分が一定ピッチで周期的に設けられている。
【００１１】
上記のように構成されたエンコーダで移動スリットの移動量を測定するとき、光源から固定スリットに光を照射する。固定スリットに照射された光は固定スリットの透過部を透過して、明暗が縞状に分布した光をレンズに入射し、レンズにより収斂して移動スリット上に照射される。この移動スリットに光を照射するときに、移動スリットに照射される光の断面分布の明暗のピッチが移動スリットのスケールピッチと同じになるように移動スリットとレンズの位置を適切に設定しておく。
【００１２】
移動スリットに照射された光は、明暗の縞の明部が移動スリットの一定ピッチで設けられている反射部に入射したときに反射してレンズを通して固定スリットに戻る。また、明暗の縞の明部が移動スリットの透過部に入射したとき、移動スリットに入射した光は移動スリットを透過し、固定スリットには移動スリットのスケールピッチに応じて反射した光が入射する。この固定スリットは光の透過部と反射部が一定ピッチで多数設けられていて光を回折する機能を有し、移動スリットからの反射光は固定スリットで回折され受光素子に入射する。この受光素子に入射する光は移動スリットのスケールピッチに応じて強弱が変化している。そこで受光素子は入射した光の強弱に応じた信号をカウンタに出力し、カウンタは入力した信号を計数し、計数した値と移動スリットのスケールピッチから移動スリットの移動量を検出する。
【００１３】
【実施例】
図１はこの発明の一実施例の構成図である。図に示すように、エンコーダ１は光源２と固定スリット３とレンズ４と移動物体５に取り付けた移動スリット６と受光素子７及びカウンタ８を有する。固定スリット３は、図２の斜視図に示すように、一定ピッチＰで光を透過する透過部３Ｔと反射する反射部３Ｒが多数平行に設けられている。移動スリット６も光の反射する部分と透過する部分が一定ピッチＰｓで周期的に設けられている。
【００１４】
上記のように構成されたエンコーダ１で移動物体５の移動を測定するとき、光源２から固定スリット３に光を照射する。固定スリット３に照射された光は固定スリット３の透過部３Ｔを透過して、図２の斜視図に示すように、明暗が縞状に分布した光９をレンズ４に入射し、レンズ４により収斂して移動スリット６上に照射される。この移動スリット６に光を照射するときに、移動スリット６に照射される光の断面分布の明暗のピッチが移動スリット６のスケールピッチＰｓと同じになるように光学諸元を設定しておく。この設定は、光源２から照射する光がコリメート光でないので、移動スリット６とレンズ４の位置を適切に設定することにより容易に実現することができる。
【００１５】
移動物体５により移動している移動スリット６に照射された光は、明暗の縞の明部が移動スリット６の一定ピッチで設けられている反射部に入射したときに反射してレンズ４を通して固定スリット３に戻る。また、明暗の縞の明部が移動スリット６の透過部に入射したとき、移動スリット６に入射した光は移動スリット６を透過して固定スリット３側には戻らず、固定スリット３には移動スリット６のスケールピッチＰｓに応じて移動スリット６から反射した光が入射する。この固定スリット３は光の透過部３Ｔと反射部３Ｒが一定ピッチで多数設けられていて光を回折する機能を有すから、移動スリット６からの反射光は固定スリット３で回折され受光素子７に入射する。この受光素子７には、図３に示すように、移動スリット６のスケールピッチＰｓに応じて強弱が変化する光が入射する。受光素子６は入射した光の強弱に応じた信号をカウンタ８に出力する。カウンタ８は入力した信号を計数し、計数した値と移動スリット６のスケールピッチＰｓから移動スリット６の移動量を算出して表示する。このようにして簡単な構成で移動スリット６の移動量すなわち移動物体５の移動量を検出することができる。
【００１６】
上記実施例は、固定スリット３と移動スリット６の間にレンズ４を設けて、レンズ４で光を収斂させる場合について説明したが、図４に示すように、レンズ４を使用しなくても良い。この場合、受光素子７には発散光が進行して一部は受光素子７に入射しないが、受光素子７に入射する光は全体として移動スリット６のスケールピッチＰｓに応じて強度が変調されるので、受光素子７から移動スリット６のスケールピッチＰｓに応じた信号を出力することができる。
【００１７】
次に、移動スリット６の移動量とともに移動方向を検出する実施例について説明する。この場合は、固定スリット３に、図５（ａ）に示すように、固定スリット３に一定ピッチＰで光の透過部３Ｔと反射部３Ｒを多数平行に設けた第１の領域３１と、第１の領域３１の透過部３Ｔと反射部３Ｒと１／４ピッチ位相が異なる透過部３Ｔと反射部３Ｒを有する第２の領域３２を設け、受光素子７には、図５（ｂ）に示すように、固定スリット３の第１の領域３１からの光を受光する第１の受光部７１と固定スリット３の第２の領域３２からの光を受光する第２の受光部７２を設けておく。そして光源２から固定スリット３に光を照射し、第１の領域３１と第２の領域３２を透過した光を移動物体５により移動している移動スリット６上に照射し、移動スリット６からの反射光を固定スリット３の第１の領域３１と第２の領域３２を介して受光素子７に入射する。受光素子７には、図６に示すように、第１の受光部７１に固定スリット３の第１の領域３１からの光Ａが入射し、第２の受光部７２には固定スリット３の第２の領域３２からの光Ｂが入射する。この受光素子７の第２の受光部７２に入射する光Ｂは光Ａより位相が移動スリット６のスケールピッチＰｓの１／４だけずれている。そこで第１の受光部７１から出力するＡ相の信号と第２の受光部７２から出力するＢ相の信号の順序から移動スリット６の移動方向を検出することができる。この第１の受光部７１から出力するＡ相の信号と第２の受光部７２から出力するＢ相の信号にはバイアス成分Ｃを有し、信号処理上のノイズとなる。そこでＡ相の信号とＢ相の信号の差をとり、バイアス成分Ｃのない単相の信号により移動スリット６の移動量を検出する。
【００１８】
上記実施例は固定スリット３に１／４ピッチ位相が異なる第１の領域３１と第２の領域３２を設けて、Ａ相の信号とＢ相の信号の差をとり、バイアス成分Ｃのない単相の信号により移動スリット６の移動量を検出する場合について説明したが、図７（ａ）に示すように、第１の領域３１の透過部３Ｔと反射部３Ｒと１／４ピッチ位相が異なる透過部３Ｔと反射部３Ｒを有する第２の領域３２と、第２の領域３２の透過部３Ｔと反射部３Ｒと１／４ピッチ位相が異なる透過部３Ｔと反射部３Ｒを有する第３の領域３３を設け、受光素子７には、図７（ｂ）に示すように、第１の領域３１からの光を受光する第１の受光部７１と、第２の領域３２からの光を受光する第２の受光部７２及び第３の領域３３からの光を受光する第３の受光部７３を設け、第１の受光部７１の出力信号と第２の受光部７２の出力信号の差と、第２の受光部７２の出力信号と第３の受光部７３の出力信号の差を求めることにより、バイアス成分ＣがなくスケールピッチＰｓの１／４だけ位相がずれた２つの信号を得ることができる。したがつて移動スリット６の移動量と移動方向をより確実に検出することができる。
【００１９】
上記実施例は固定スリット３に３つの領域３１〜３３を設けた場合について説明したが、図８（ａ）に示すように、固定スリット３に第１の領域３１の透過部３Ｔと反射部３Ｒと１／４ピッチ位相が異なる透過部３Ｔと反射部３Ｒを有する第２の領域３２と、第２の領域３２の透過部３Ｔと反射部３Ｒと１／２ピッチ位相が異なる透過部３Ｔと反射部３Ｒを有する第３の領域３３と、第３の領域３３の透過部３Ｔと反射部３Ｒと１／４ピッチ位相が異なり、第１の領域３１の透過部３Ｔと反射部３Ｒと１／２ピッチ位相が異なる透過部３Ｔと反射部３Ｒを有する第４の領域３４を設け、受光素子７には、図８（ｂ）に示すように、第１の領域３１からの光を受光する第１の受光部７１と、第２の領域３２からの光を受光する第２の受光部７２と、第３の領域３３からの光を受光する第３の受光部７３及び第４の領域３３からの光を受光する第４の受光部７４を設け、第１の受光部７１の出力信号と第２の受光部７２の出力信号の差と、第３の受光部７２の出力信号と第４の受光部７４の出力信号の差を求めることにより、バイアス成分Ｃがなく位相がずれた２つの信号を得ることができる。
【００２０】
また、上記各実施例の固定スリット３は周期的に設けられた透過部３Ｔと反射部３Ｒで回折格子の役割をして、移動スリット７から反射した光を受光素子７の方向に導くが、固定スリット３による回折効率は低い。そこで、図９に示すように、固定スリット３の受光素子７側に効率の高い回折格子１０を設けたり、固定スリット３の移動スリット６側に回折格子１０を設けることにより、受光素子７の受光量を増やしてノイズ成分の少ない信号を得ることができる。この回折格子１０としては表面レリーフ回折格子や体積型の回折格子を使用すると、受光素子７の受光量効率良く増やすことができる。
【００２１】
また、例えば図１０（ａ）に示すように、基板１１の一方の面に回折格子部１２を設け、他方の面にスリット部１３を設けで固定スリット３を構成したり、図１０（ｂ）に示すように、固定スリット３の透過部３Ｔに回折格子部１２を設けて、固定スリット３と回折格子１０を一体にすることにより小型化を図ることができる。図１０（ａ）に示すように、基板１１の両面に回折格子部１２とスリット部１３を設ける場合、スリット部１３はクロムマスクやアルミマスクやエマルジョンタイプのマスクにより形成し、このマスクの反対側の面に、光ディスクの基板の作製などで使用されているスタンパを用いて回折格子部１２を複製することができる。また、図１０（ｂ）に示した、透過部３Ｔに回折格子部１２を有する固定スリット３は、クロムマスクやアルミマスクによりスリット部を作製する。例えばフォトリソグラフィの方法でアルミマスクを作成し、このマスク上にネガ型レジストをスピンコート法などで塗布してからアルミマスクの裏面より紫外線照射した後、ウエットやドライの現像をする。この現像により残ったネガ型レジストの未露光部を回折格子のパターンをもつマスクを用いて露光し、現像することにより作製することができる。
【００２２】
上記各実施例は光源２からの光を固定スリット３により明暗が縞状に分布した断面を有する光９を移動スリットに照射する場合について説明したが、図１１に示すように、固定スリット３の中心部に一定面積を有する光の透過部３０を設け、図１２に示すように、光源２からの光を透過部３０を通して移動スリット６に照射し、移動スリット６から反射した明暗が縞状に分布した断面を有する光を固定スリット３の透過部３０の周囲にある反射部３Ｒで反射して受光素子７に入射するようにしても、受光素子７に移動スリット６のスケールピッチＰｓに応じて強弱が変化する光を入射することができ、受光素子６の出力信号により移動スリット６の移動量を検出することができる。この場合も、固定スリット３に反射部３Ｒと透過部３Ｔの位相が異なるが２つから４つの領域３１〜３４を設けることにより、移動スリット６の移動量と移動方向を検出することができる。さらに、図１３（ａ）〜（ｃ）に示すように、固定スリット３と受光素子７の間や、固定スリット３と移動スリットの間または固定スリット３と受光素子７の間と固定スリット３と移動スリットの間にレンズ４を設けて受光素子７に入射する光を収斂させることにより、受光素子７に効率良く光を導くことができ、移動スリット６の移動量と移動方向をより確実に検出することができる。
【００２３】
また、上記各実施例は移動スリット６からの反射光を利用して移動スリット６の移動量と移動方向を検出する場合について説明したが、移動スリット６からの回折光を利用して移動スリット６の移動量と移動方向を検出するようにしても良い。例えば図１４に示すように、光源２から光を移動物体５に設けた移動スリット６に照射し、移動スリット６からの回折光をレンズ４で収斂して固定スリット３を介して受光素子７で受光する。この移動スリット６からの回折光の回折次数は移動スリット６のスリットピッチＰｓと光の波長で定まり、１次の回折光の強度を高めることは容易にできる。そこで例えば図１３に示すように、移動スリット６からの透過光と１次の回折光をレンズ４で固定スリット３に重ね合わせる。このとき、重ね合わせた各光による移動スリット６の像１４が等間隔になるようにレンズ４と固定スリット３の位置を調整しておく。また、固定スリット３の透過部３Ｔと反射部３ＲのピッチＰは移動スリット６のスリットピッチＰｓの１／ｎ、例えば１／３にしておく。この場合、移動スリット６が１ピッチ移動すると、固定スリット３上の像１４は固定スリット３の３ピッチ分だけ移動する。したがって固定スリット３を透過した光は移動スリット６が１ピッチ移動するたびに３周期変化して受光素子７に入射する。この受光素子７からの出力信号により移動スリット６の移動量を検出することにより、３倍の分解能で移動スリット６の移動量を検出することができる。
【００２４】
この場合も、固定スリット３に反射部３Ｒと透過部３Ｔの位相が異なるが２つから４つの領域３１〜３４を設けることにより、移動スリット６の移動量と移動方向を検出することができる。
【００２５】
【発明の効果】
この発明は以上説明したように、光源から移動スリットに光を直接照射し、移動スリットによる透過光と回折光をレンズにより収斂させ固定スリットに入射し、固定スリットを透過した光を受光素子で受光することにより、簡単な構成で移動物体の移動量を検出することができる。また、移動スリットによる透過光と回折光の１次光を移動スリットのピッチの１／ｎピッチを有する固定スリットに入射することにより、高分解能で移動物体の移動量を検出することができる。
【００２９】
さらに、固定スリットは透過部と反射部の位相が異なる領域を設け、各領域からの光を受光素子で受光することにより、移動物体の移動量とともに移動方向も検出することができる。また、各領域からの光を受光した受光素子の出力の差を演算することによりバイアス成分をなくした信号を得ることができ、ノイズに対して強くすることができ、移動物体の移動量と移動方向を安定して検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例の構成図である。
【図２】固定スリットの構成を示す斜視図である。
【図３】受光素子に入射するする光の強度分布図である。
【図４】第２の実施例の構成図である。
【図５】第３の実施例の固定スリットと受光素子の構成図である。
【図６】第３の実施例の受光素子に入射するする光の強度分布図である。
【図７】第４の実施例の固定スリットと受光素子の構成図である。
【図８】第５の実施例の固定スリットと受光素子の構成図である。
【図９】第６の実施例の構成図である。
【図１０】第６の実施例における他の固定スリットの構成図である。
【図１１】第７の実施例の固定スリットの構成図である。
【図１２】第７の実施例の構成図である。
【図１３】第７の実施例の他の構成図である。
【図１４】第８の実施例の構成図である。
【図１５】従来例の構成図である。
【符号の説明】
１      エンコーダ
２      光源
３      固定スリット
４      レンズ
５      移動物体
６      移動スリット
７      受光素子
８      カウンタ
【図１】
0003636888.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
0003636888.tif 000012
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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