(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対移動する一方の部材に固定され、移動方向に複数の第１のスリットからなる移動スケールと、相対移動する他方の部材に固定され、拡散光を射出する光源と前記移動スケールとの間に空隙を介して配置され、光源スリットの役割を果たす第２のスリットとインデックススリットの役割を果たす第３のスリットからなる固定スケールと前記光源から放射された拡散光が前記固定スケール上の第２のスリットを透過し、前記移動スケールに照射し、前記移動スケールからの反射光を前記第３のスリットを介して検出する受光素子とを備え、前記受光素子出力の検出信号の周期的な変動から前記両部材の相対的変位を検出する光学式エンコーダにおいて、
前記移動スケール上に原点検出用として設けられ、同心円状のスリットを形成した原点相第１円形スリットと、
前記固定スケール上に形成され、前記原点相第１円形スリットのスリットピッチと同じスリットピッチを有した原点相第２円形スリットと、
前記原点相第１円形スリットのピッチと同じスリットピッチを有して前記固定スケール上に形成した原点相第３円形スリットと、
前記受光素子と別に設けられ、前記光源から放射された拡散光が前記原点相第２円形スリットを透過し、前記移動スケール上の原点相第１円形スリットを照射しこの反射光が前記固定スケール上の原点相第３円形スリットを透過する光量を検出する原点相受光素子とからなることを特徴とした光学式エンコーダ。
【請求項２】
前記原点相第２円形スリットと前記原点相第３円形スリットのスリットピッチを各々前記原点相第１円形スリットの２倍のスリットピッチとした請求項１記載の光学式エンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光学式エンコーダの原点検出に関する。
【０００２】
【従来の技術】
回折型である３格子光学系を用いた光学式エンコーダの原点検出方法として次のような従来例（特開昭６１−２１２７２７）がある。図５はこの従来例の光学系の構成図である。以下この従来例について説明する。
この図において光源１０Ａ、１０Ｂと検出対象物の固定側に取り付けられる変位検出用固定光学格子２０が表面に形成された反射型のメインスケール１８と検出対象物の可動側に取り付けられる変位検出用可動光学格子１６Ａ、１６Ｂが形成されたインデックススケール１４と、前記変位検出用固定光学格子２０および第１可動光学格子１６Ａで変調された変位検出用第１光信号を受光して変位検出用第１電気信号Ｖｘ１に変換するための受光素子２４Ａと、前記変位検出用固定光学格子２０および第２可動光学格子１６Ｂで変調された変位検出用第２光信号を受光して変位検出用第２電気信号Ｖｘ２に変換するための受光素子２４Ｂとが備えられている。
前記変位検出用固定光学格子２０は例えば明線と暗線の幅が略等しい反射格子とされ、また前記変位検出用可動光学格子１６Ａ、１６Ｂは前記変位検出用固定光学格子２０と同じピッチの透過格子とされると共に両者は互いに位相が９０゜異なるように形成されている。従って前記受光素子２４Ａ出力の変位検出用第１電気信号Ｖｘ１と変位検出用第２電気信号Ｖｘ２の波形は図６に示すように電気信号のピッチがＳ１  で位相が互いに９０゜異なる正弦波に近い信号となっている。
さらに前記メインスケール１８上に前記変位検出用固定光学格子２０と沿って一体的に原点検出用固定光学格子３０が形成されている。この原点検出用固定光学格子３０は例えば明線と暗線の幅が略等しい反射格子とされている。前記原点検出用固定光学格子３０上にはさらに光学反射特性を有する参照マーク３２が検出する原点位置や個数に対応して少なくとも一つ一体的に形成されている。また前記インデックススケール１４には前記変位検出用可動光学格子１６Ａ、１６Ｂに沿って一体的に形成された原点検出用可動光学格子３４と同じく前記変位検出用可動光学格子１６Ａ、１６Ｂの延長線上に一体的に形成された基準光検出窓３８とが設けられている。
前記原点検出用可動光学格子３４は前記原点検出用固定光学格子３０と同じピッチの透過格子とされており、従って対応する位置に設けられた光源４０と受光素子４３によってインデックススケール１４に対してメインスケール１８を矢印Ｃ方向または反対方向に変位させたとき、図７に示すようなピッチＳ２  の原点検出用第１電気信号Ｖ０１を発生できるようになっている。
また原点検出窓３６は光を一様に透過できる窓で、メインスケール１８を矢印Ｃ方向または反対方向に変位させたとき、対応する光学格子３０による光学的変調をほとんど受けず参照マーク３２による光学的変調を受けた図７に示すような第２光信号Ｖ０２を発生できるようになっている。
前記基準光検出窓３８は光学格子２０による光学的変調をほとんど受けない第１基準電圧Ｖｒｅｆ１を発生できるようになっている。
前記受光素子２４Ａ、２４Ｂは図８に示すようにエンコーダ６０に接続されこのエンコーダ６０はカウンタ６２に接続され、このカウンタ６２は測定変位量を表示するための表示器６４に接続されている。また、前記受光素子４３はアンプ６６を介して第１交点を検出するための第１コンパレータ６８に接続されている。さらに前記受光素子４６はアンプ７０を介して第２交点を検出するための第２コンパレータ７２に接続されている。前記受光素子４８は前記第１および第２基準電圧信号Ｖｒｅｆ１、Ｖｒｅｆ２を作成するための基準信号発生器７４に接続されている。前記第１および第２コンパレータ６８、７２は絶対原点を特定するための絶対原点特定回路７６に接続されている。絶対原点特定回路７６は前記カウンタ６２の計数値を補正するべく該カウンタ６２に接続されている。
第２基準電圧Ｖｒｅｆ２はメインスケール１８を矢印方向に変位させたとき第２電気信号Ｖ０２のＰ０  点が第１電気信号Ｖ０１のＰ２  点と一致するよう電気回路の定数を調整することによって前記第１基準電圧Ｖｒｅｆ１をシフトして作成したものである。こうすることにより、まず第２電気信号Ｖ０２が第２基準電圧Ｖｒｅｆ２と等しくなる第２交点Ｐ０  を前記第２コンパレータ７２で検出し、次に第１電気信号Ｖ０１が第１基準電圧Ｖｒｅｆ１と等しくなる所の定数（Ｎ）番目、例えば１番目の第１交点Ｐ３  を前記第１コンパレータ６８で検出し、前記絶対原点特定回路７６で該１番目の第１交点Ｐ３  を原点位置と定めることにより高精度で原点位置を決定していた。
この光学系は回折型の３格子光学系であるので、第１電気信号Ｖ０１は、例えばスリットピッチ数十μｍ  のスリットが刻まれたメインスケールとインデックススケール間のギャップが数ミリであっても精度良く検出でき、またこのような構成であれば、原点相は精度良く検出できる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来例では参照マーク検出手段と原点検出手段の２つの手段が必要であり、これにともなう光源−光学格子−受光素子が必要となるため検出系を含む変位検出装置全体が大型になり、また原点検出のための信号処理が複雑であるという問題点があり、さらにスリットピッチが小さくなった場合、原点精度を上げるために原点検出信号周期Ｓ２  を小さくする必要があり、こうした場合周期Ｓ２  内での参照マーク検出用受光素子４６の出力信号変化が小さくなるのでＰ０  とＰ２  を同位相に調整することが困難になり、原点検出の精度が悪くなるという問題点があった。
ここにおいて、本発明は、移動スケールと固定スケール間のギャップを広ギャップにしても原点信号を精度良く出力でき、また小型で簡単な構成で安価な光学式エンコーダ装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
以上の目的を達成するため、本発明は、相対移動する一方の部材に固定され、移動方向に複数の第１のスリットからなる移動スケールと、相対移動する他方の部材に固定され、拡散光を射出する光源と前記移動スケールとの間に空隙を介して配置され、光源スリットの役割を果たす第２のスリットとインデックススリットの役割を果たす第３のスリットからなる固定スケールと前記光源から放射された拡散光が前記固定スケール上の第２のスリットを透過し、前記移動スケールに照射し、前記移動スケールからの反射光を前記第３のスリットを介して検出する受光素子とを備え、前記受光素子出力の検出信号の周期的な変動から前記両部材の相対的変位を検出する光学式エンコーダにおいて、前記移動スケール上に原点検出用として設けられ、同心円状のスリットを形成した原点相第１円形スリットと、前記固定スケ−ル上に形成され、前記原点相第１円形スリットのスリットピッチと同じスリットピッチを有した原点相第２円形スリットと、前記原点相第１円形スリットのピッチと同じスリットピッチを有して前記固定スケール上に形成した原点相第３円形スリットと、前記受光素子とは別に設けられ、前記光源から放射された拡散光が前記原点相第２円形スリットを透過し、前記移動スケール上の原点相第１円形スリットを照射しこの反射光が前記固定スケール上の原点相第３円形スリットを透過する光量を検出する原点相受光素子とからなる光学式エンコーダ。
また前記原点相第２円形スリットと前記原点相第３円形スリットのスリットピッチを各々前記原点相第１円形スリットの２倍のスリットピッチとした光学式エンコーダ。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図に基いて説明する。図１は本発明の光学式エンコーダの光学系の構成図を示す図である。図１に示すように、前記光学系は移動スケール１、固定スケール２、光源３、受光素子４１Ａ、４１Ｂ、４２で構成され、前記移動スケール１面上にはインクリメンタル相第１スリット１１と原点相第１円形スリット１２が配置されており、また前記固定スケール２面上にはインクリメンタル相第２スリット２１、原点相第２円形スリット２２、インクリメンタル相第３スリット２３Ａ、２３Ｂ、原点相第３円形スリット２４が配置されている。
前記光源３は拡散光であり、光源３から出射された光はインクリメンタル相第２スリットと原点相第２円形スリットを透過してそれぞれ移動スケール１上のインクリメンタル相第１スリット１１と原点相第１スリット１２を反射し、それぞれインクリメンタル相第３スリット２３Ａ、２３Ｂ、原点相第３円形スリット２４を透過し、このインクリメンタル相反射光５１Ａ、５１Ｂ、原点相反射光５２の光量変化をそれぞれインクリメンタル相受光素子４１Ａ、４１Ｂ、原点相受光素子４２で検出し、変位量と原点位置を検出するものである。
インクリメンタル相における本光学系は、例えば米国特許第３８１２３５２号で開示されているような回折型の構成をとっており、これはスリットピッチが数ミクロン程度であっても前記移動スケールと固定スケール間ギャップを数ミリと大きく取れる特徴がある。
図２は本実施例の移動スケール１上のインクリメンタル相第１スリット１１と原点相第１円形スリット１２のパターンを示したものである。本実施例では原点相第１円形スリット１２のスリットピッチはインクリメンタル相のスリットピッチと等しくしている。
図３は本実施例の固定スケール２上のインクリメンタル相第２スリット２１、原点相第２円形スリット２２、インクリメンタル相第３スリット２３Ａ、２３Ｂ、原点相第３円形スリット２４のパターンを示したものである。この固定スリット２上のインクリメンタル相第３スリット２３Ａ、２３Ｂはそれぞれ９０゜位相の異なる信号を得るように配置されている。またインクリメンタル相第１スリット１１とインクリメンタル相第２スリット２１とインクリメンタル相第３スリットのピッチ比はそれぞれ１：１：１あるいは１：２：２で構成される。
また、原点相第２円形スリット２２のパターンは図３では移動スケール１上の原点相第１円形スリット１２のパターンを反転したものとなっているが、同じパターンでも良く、さらにスリット本数が異なっても良い。原点相第３円形スリット２４のパターンは原点相第２円形スリット２２のパターンと同様に図３では原点相第１円形スリットのパターンを反転したものとなっているが、原点相第１円形スリット１２のパターンと同じパターンでも良い。原点相第１円形スリット１２と原点相第２円形スリット２２と原点相第３円形スリットのスリットピッチ比はそれぞれ１：１：１あるいは１：２：２で構成され、このような構成とすることによりインクリメンタル相と同様な回折型の光学系構成となり、スリットピッチが数ミクロン程度であっても前記移動スケールと固定スケール間ギャップを数ミリと大きく取ることができる。さらに、このとき原点相第３円形スリット２４面上にできる円形スリット像と原点相第３円形スリット２４のモアレフリンジにより、原点相第３円形スリット２４を透過する光量変化は図４のように変化し、さらに本実施例では原点相円形第１スリットピッチをインクリメンタル相第１スリットピッチと相当にしてあるので原点相信号のパルス幅をインクリメンタル相の１周期内に常に納めることができ、高い精度が得られる。
なお、原点相信号のパルス幅がインクリメンタル相の１周期外でよい用途においては、原点相円形第１スリットピッチをインクリメンタル相第１スリットピッチより大きくすることができる。
原点相受光素子４２に当たる光量は原点相第３円形スリットの占める面積によって決まるので、スリットピッチが小さくなっても十分な光量が得られる。
本光学系は光源３のみで照射しているので、装置も小型であり、また信号処理も非常に簡単である。
前記手段により、原点相第１円形スリットと原点相第２円形スリットと原点相第３円形スリットの構成は回折型であるため移動スケールと固定スケール間のギャップを大きくしても円形スリット像が原点相第３円形スリット上に形成され、またこの円形スリット像と原点相第３円形スリットのモアレフリンジにより、鋭い原点信号が得られる。
また、前記実施例においては、リニアエンコーダに適用されていたが、本発明の適用範囲はこれに限定されずにロータリエンコーダも同様に適用されることは明らかである。
【０００６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば原点相スリットとして円形スリットを適用し、回折型の光学系構成としたので、スリットピッチが数μｍ  程度の分解能であっても固定スリットと移動スケール間のギャップが十分に取れ、さらに原点信号を高精度に出力でき、装置も簡単で小型に構成できるので、高分解能で安価な光学式エンコーダを構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光学式エンコーダの光学系の構成図である。
【図２】本発明の実施例である移動スケール上のインクリメンタル相第１スリットと原点相第１円形スリットを示す図である。
【図３】本発明の実施例である固定スケール上のインクリメンタル相第２スリット、インクリメンタル相第３スリット、原点相円形第２スリット、原点相円形第３スリットを示す図である。
【図４】実施例の固定スリット上の原点相第３円形スリットを透過した光量検出信号を示した図である。
【図５】従来例の光学式エンコーダの光学系の構成図である。
【図６】従来例である受光素子で得られる受光波形を示す図である。
【図７】従来例である受光素子で得られる受光波形を示す図である。
【図８】従来例の回路構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１  移動スケール
１１  インクリメンタル相第１スリット
１２  原点相第１円形スリット
１４  インデックススケール
１８  メインスケール
１６Ａ、１６Ｂ  変位検出用可動光学格子
２  固定スケール
２１  インクリメンタル相第２スリット
２２  原点相第２スリット
２３Ａ、２３Ｂ  インクリメンタル相第３スリット
２４  原点相第３円形スリット
２０  変位検出用固定光学格子
３０  原点検出用固定光学格子
３２  参照マーク
３４  原点検出用可動光学格子
３６  原点検出窓
３８  基準光検出窓
３、１０Ａ、１０Ｂ、４０、４４、４８  光源
２４Ａ、２４Ｂ、４１Ａ、４１Ｂ  インクリメンタル相受光素子
４２、４３、４４  原点相受光素子
５０  基準電圧発生用受光素子
５１Ａ、５１Ｂ  インクリメンタル相反射光
５２  原点相反射光
６０  エンコーダ
６２  カウンタ
６８、７２  コンパレータ
７６  絶対原点特定回路
Ｖｘ１、Ｖｘ２  変位検出用電気信号
Ｖ０１  原点検出用第１電気信号
Ｖ０２  原点検出用第２電気信号
Ｖｒｅｆ１  第１基準電圧
Ｖｒｅｆ２  第２基準電圧
【図１】
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【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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