(57)【要約】【課題】簡易なシステムで２次元方向の相対変位を検出できる光学式エンコーダを得る。【解決手段】本発明の光学式エンコーダは、一方の物体に設けられ、いずれも一定間隙で周期的なパターンを有し互いに交叉するように配置された第１のスケール103および第２のスケール104と、他方の物体に設けられ、第１のスケールに対して第１の投射光を出射する第１の発光手段111と、第１の投射光を第１のスケール上に集光させる第１の集光手段112と、第１のスケール上で反射した光を検出する第１の受光手段113と、第２のスケールに対して第２の投射光を出射する第２の発光手段121と、第２の投射光を第２のスケール上に集光させる第２の集光手段122と、第２のスケール上で反射した光を検出する第２の受光手段123とを備えたものである。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の物体に対して、一定の間隙を保って移動する他方の物体の相対変位量を測定する光学式エンコーダにおいて、
前記一方の物体に設けられ、いずれも一定間隙で周期的なパターンを有し互いに交叉するように配置された第１のスケールおよび第２のスケールと、
前記他方の物体に設けられ、前記第１のスケールに対して第１の投射光を出射する第１の発光手段と、前記第１の投射光を前記第１のスケール上に集光させる第１の集光手段と、前記第１のスケール上で反射した光を検出する第１の受光手段と、前記第２のスケールに対して第２の投射光を出射する第２の発光手段と、前記第２の投射光を前記第２のスケール上に集光させる第２の集光手段と、前記第２のスケール上で反射した光を検出する第２の受光手段とを備えたことを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項２】
前記他方の物体に設けられ、位相差用投射光を出射する第３の発光手段と、前記第１の集光手段により前記第１のスケール上に集光された投射光スポット位置に対して所定の位相差を有する位置に前記投射光を集光させる第３の集光手段と、前記第１のスケール上で反射した位相差用反射光を検出する第３の受光手段と、位相差用投射光を出射する第４の発光手段と、前記第２の集光手段により前記第２のスケール上に集光された投射光スポット位置に対して所定の位相差を有する位置に前記投射光を集光させる第４の集光手段と、前記第２のスケール上で反射した位相差用反射光を検出する第４の受光手段とを備えたことを特徴とする請求項１記載の光学式エンコーダ。
【請求項３】
前記第１の受光手段および前記第２の受光手段は、それぞれ少なくとも２個の受光部からなることを特徴とする請求項１または２記載の光学式エンコーダ。
【請求項４】
一方の物体に対して、一定の間隙を保って移動する他方の物体の相対変位量を測定する光学式エンコーダにおいて、
前記一方の物体に設けられ、１方向に周期的な凹凸形状を有しかつ交叉する他方向に前記凹凸形状と高さの異なる周期的な凹凸形状を有し、凸部が交差する部分は互いに重ね合っているスケールと、
前記他方の物体に設けられ、投射光を出射する発光手段と、前記投射光を前記スケール上に集光させる集光手段と、前記スケール上で反射した光を検出する受光手段とを備えたことを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項５】
前記他方の物体に設けられ、位相差用投射光を出射する第２の発光手段と、前記第２の投射光を前記スケール上に集光させる第２の集光手段と、前記スケール上で反射した光を検出する第２の受光手段とを備えたことを特徴とする請求項４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、２次元方向に相対変位する２つの物体の相対変位を検出する光学式エンコーダに関する。
【０００２】
【従来の技術】
相対変位する２つの物体の相対変位を検出する装置としては、リニアエンコーダが知られている(例えば、特許文献１参照)。
【０００３】
【特許文献１】特表２００１−５１８６０６号公報(第２図)
【０００４】
しかし、リニアエンコーダで測定できるのは１次元の直線変位のみである。２次元方向に相対変位する２つの物体の相対変位を検出するためには、図９のように２つのリニアエンコーダを組み合わせる必要があった。図９において、第１のリニアエンコーダは、固定側物体２０１の上面に敷設されたＸ軸測定用のリニアスケール２０２と、可動ロッド２０３の端部に一体装着されてリニアスケール２０２上をＸ軸方向に走査する案内機構付き読みとりヘッド２０４からなり、第２のリニアエンコーダは、リニアスケール２０２の上方に配置されて可動ロッド２０３の上面に取り付けられたＹ軸測定用のリニアスケール２０５と、リニアスケール２０５上を可動してＹ方向に走査する案内機構付き読みとりヘッド２０６からなる。読みとりヘッド２０６は固体物体２０１に対して相対変位する移動側物体２０７に固定されている。
移動側物体２０７と固定側物体２０１のＸ軸方向の相対変位は、第１のリニアエンコーダのＸ軸リニアスケール２０２を読みとりヘッド２０４でより読みとることにより検出し、Ｙ軸方向の相対変位は、第２のリニアエンコーダのＹ軸リニアスケール２０５を読みとりヘッド２０６によって読みとることにより検出する。これら２つのリニアエンコーダの検出出力によって、２つの物体間の相対変位を測定していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の光学式エンコーダは２次元方向に相対変位する２つの物体の相対変位を検出するために２つのリニアエンコーダを組み合わせる必要があり、リニアエンコーダの取り付けのためにシステム構成が複雑になるという問題があった。
そこで、本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、簡易なシステム構成で２次元方向に相対変位する２つの物体の相対変位を検出することができる光学式エンコーダを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、一方の物体に対して、一定の間隙を保って移動する他方の物体の相対変位量を測定する光学式エンコーダにおいて、前記一方の物体に設けられ、いずれも一定間隙で周期的なパターンを有し互いに交叉するように配置された第１のスケールおよび第２のスケールと、前記他方の物体に設けられ、前記第１のスケールに対して第１の投射光を出射する第１の発光手段と、前記第１の投射光を前記第１のスケール上に集光させる第１の集光手段と、前記第１のスケール上で反射した光を検出する第１の受光手段と、前記第２のスケールに対して第２の投射光を出射する第２の発光手段と、前記第２の投射光を前記第２のスケール上に集光させる第２の集光手段と、前記第２のスケール上で反射した光を検出する第２の受光手段とを備えたものである。
このようになっているため、１つの光学式エンコーダで２次元の相対変位が測定でき、システム構成を簡易にすることができる。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、前記他方の物体に設けられ、位相差用投射光を出射する第３の発光手段と、前記第１の集光手段により前記第１のスケール上に集光された投射光スポット位置に対して所定の位相差を有する位置に前記投射光を集光させる第３の集光手段と、前記第１のスケール上で反射した位相差用反射光を検出する第３の受光手段と、位相差用投射光を出射する第４の発光手段と、前記第２の集光手段により前記第２のスケール上に集光された投射光スポット位置に対して所定の位相差を有する位置に前記投射光を集光させる第４の集光手段と、前記第２のスケール上で反射した位相差用反射光を検出する第４の受光手段とを備えたものである。
このようになっているため、１つの光学式エンコーダで２次元の進行方向と相対変位が測定でき、システム構成を簡易にすることができる。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、前記第１の受光手段および前記第２の受光手段は、それぞれ少なくとも２個の受光部からなるものである。
このようになっているため、２次元の進行方向と相対変位が測定できる光学式エンコーダをより簡易に構成できる。
【０００９】
請求項４に記載の発明は、一方の物体に対して、一定の間隙を保って移動する他方の物体の相対変位量を測定する光学式エンコーダにおいて、前記一方の物体に設けられ、１方向に周期的な凹凸形状を有しかつ交叉する他方向に前記凹凸形状と高さの異なる周期的な凹凸形状を有し、凸部が交差する部分は互いに重ね合っているスケールと、前記他方の物体に設けられ、投射光を出射する発光手段と、前記投射光を前記スケール上に集光させる集光手段と、前記スケール上で反射した光を検出する受光手段とを備えたものである。
このようになっているため、１つの光学式エンコーダで２次元の相対変位が測定でき、システム構成を簡易にすることができる。
【００１０】
請求項５に記載の発明は、前記他方の物体に設けられ、位相差用投射光を出射する第２の発光手段と、前記第２の投射光を前記スケール上に集光させる第２の集光手段と、前記スケール上で反射した光を検出する第２の受光手段とを備えたものである。
このようになっているため、１つの光学式エンコーダで２次元の進行方向と相対変位が測定でき、システム構成を簡易にすることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的実施例を図に基づいて説明する。
（第１の実施例）
図１は、本発明の第１の実施例を示す光学式エンコーダの斜視図である。図１において、１０１は相対変位する２つの物体の固定側物体、１０２は移動側物体である。固定側物体１０１には、間隙を保ち互いに交叉するように配置された第１のスケール１０３と第２のスケール１０４が敷設されている。第１のスケール１０３は光反射部１０３Ａと光透過部１０３Ｂからなり、第２のスケール１０４も光反射部１０４Ａと光透過部１０４Ｂからなる。移動側物体１０２には、第１の発光手段１１１、第１の集光手段１１２、第１の受光手段１１３、第２の発光手段１２１、第２の集光手段１２２、第２の受光手段１２３が設けられている。つぎに、動作について説明する。第１の発光手段１１１から出射した第１の投射光は、第１の集光手段１１２によって第１のスケール１０３上の第１の投射光スポット１０５に集光される。この第１の投射光スポット１０５の内、第１のスケール１０３の光反射部１０３Ａ上にある光が反射する。この第１の反射光を第１の受光手段１１３で検出する。
同様に、第２の発光手段１２１から出射した第２の投射光は、第２の集光手段１２２によって第２のスケール１０４上の第２の投射光スポット１０６に集光される。この第２の投射光スポット１０６の内、第２のスケール１０４の光反射部１０４Ａ上に照射された光が反射する。この第２の反射光を、第２の受光手段１２３で検出する。
第１の投射光スポット１０５が第１のスケール１０３の光反射部１０３Ａ上にある時に、第１の受光手段１１３で検出する第１の反射光は最大になり、第１の投射光スポット１０５が光透過部１０３Ｂ上にある時に、第１の受光手段１１３で検出する第１の反射光は最小になる。したがって、移動側物体１０２が一定方向に変位すると、Ｘ軸の変位量に応じた回数で第１の受光手段１１３の検出出力Ｖ113に変化が生じる。この検出出力Ｖ113が所定のしきい値電圧を超える回数を積算することにより、移動側物体１０２のＸ軸方向の変位量を検出することができる。
一方、第２の投射光スポット１０６が第２のスケール１０４の光反射部１０４Ａ上にある時に、第２の受光手段１２３で検出する第２の反射光は最大になり、第２の投射光スポット１０６が光透過部１０４Ｂ上にある時に、第２の受光手段１２３で検出する第１の反射光は最小になる。しかし、移動側物体１０２のＸ軸変位によっては、第２の投射光が第１のスケール１０３の光反射部１０３Ｂにより遮光され、第２の受光手段１２１で検出する第２の反射光が低下してしまう。つまり移動側物体１０２のＸ軸方向の変位に依存して、第２の受光手段１２３で検出する第２の反射光の光量の極大値が変化することになる。そのため、第２の反射光の変化の回数を正確に積算することは難しい。
この課題を解決するために、第１のスケール１０３の光反射部１０３Ａを半透過とする方策や、図２のように第２の投射光スポット１０６の大きさを光反射部１０３Ａの幅よりも大きくする方策、図３のように第１のスケール１０３の光反射部１０３Ａの幅を光透過部１０３Ｂより細くする方策等が有効である。さらに、Ｘ軸受光手段１１４から得られたＸ軸変位量をもとに、第２の反射光の変化の回数を積算するためのＹ軸受光手段の検出信号のしきい値を補正することが可能である。
上記のように、第１の受光手段１１３の検出出力Ｖ113と第２の受光手段１２３の検出出力Ｖ123が所定のしきい値電圧を超える積算回数から、移動側物体の２次元方向の相対変位を測定することができる。
図１において、第１の発光手段１１１と第２の発光手段１２１は、半導体レーザ、ＬＥＤ等の発光デバイスや、光ファイバなどの導光素子を用いることができる。第１の集光手段１１２と第２の集光手段１２２は、図１では一カ所にしか入れていないが、集光およびコリメートを目的に、光路中の任意の場所に複数挿入してもかまわない。
【００１２】
（第２の実施例）
図２は、本発明の第２の実施例を示す光学式エンコーダの斜視図である。図２において、第１の実施例と異なる点は、移動側物体１０２に、第３発光手段１３１、第３集光手段１３２、第３受光手段１３３、第４発光手段１４１、第４集光手段１４２、第４受光手段１４３が付加されている点である。
第１のスケール１０３上または第２のスケール１０４上に集光される投射光スポットの位置関係を図３に示す。図３において、１０５は第１の発光手段１１１から出射した第１の投射光が第１のスケール面上に集光した第１の投射光スポット、１０６は第２の発光手段１２１から出射した第２の投射光が第２のスケール面上に集光した第２の投射光スポット、１０７は第３発光手段１３１から出射した第３投射光が第１のスケール面上に集光した第３投射光スポット、１０８は第４発光手段１４１から出射した第４投射光が第２のスケール面上に集光した第４投射光スポットである。
第３投射光スポット１０７が、第１の投射光スポット１０５に対して例えば１／４周期分の位相差を有するスケール位置になるように、第３発光手段１３１、第３集光手段１３２、第３受光手段１３３は配置されている。同様に、第４投射光スポット１０８が、第２の投射光スポット１０６に対して例えば１／４周期分の位相差を有するスケール位置になるように、第４発光手段１４１、第３集光手段１４２、第３受光手段１４３は配置されている。
つぎに、動作について説明する。移動側物体１０２が変位すると、第３受光手段１３３には、Ｘ軸の進行方向に応じて第１の受光手段１１３よりも１／４ピッチ分位相が進むか、遅れて光量の変化が生じる。この第１の受光手段１１３と第３受光手段１３３との検出信号を用いることにより、移動側物体１０２のＸ軸方向の相対変位と供に進行方向を検出することが可能である。Ｙ軸についても同様に、第２の受光手段１２３と第４受光手段１４３の検出信号を用いることにより、移動側物体１０２の第２の軸方向の相対変位と供に進行方向を検出することが可能である。
【００１３】
（第３の実施例）
図４は、本発明の第３実施例を示す光学式エンコーダの斜視図である。図５において第１の実施例と異なる点は、第１の受光手段１１３、第２の受光手段１２３が、それぞれ２つの受光部１１３Ａと１１３Ｂ、１２３Ａと１２３Ｂに分かれている点である。
動作について説明する。第１の投射光スポット１０５が、第１のスケール１０３の光反射部１０３Ａの中心にあるときには、受光部１１３Ａと１１３Ｂに同量の反射光が入射し、その検出出力Ｖ113AとＶ113Bは等しくなる。この状態から移動側物体１０２が移動すると、第１の投射光スポット１０５が、第１のスケール１０３の光反射部１０３Ａからずれることにより、受光部１１３Ａと１１３Ｂに入射する反射光がアンバランスになる。例えばＸ軸の＋方向に移動した場合、受光部１１３Ｂに入射する反射光が受光部１１３Ａに比べて小さくなれば、検出出力Ｖ113AがＶ113Bよりも大きくなる。逆に、Ｘ軸の−方向に移動した場合、受光部１１３Ａに入射する反射光が受光部１１３Ｂに比べて小さくなり、検出出力Ｖ113AがＶ113Bよりも小さくなる。
したがって、受光部１１３Ａと１１３Ｂの検出信号の和Ｖ113A＋Ｖ113と差Ｖ113A−Ｖ113Bを用いることにより、移動側物体１０２のＸ軸方向の相対変位と供に進行方向を検出できる。Ｙ軸についても同様に、受光部１２３Ａと１２３Ｂの検出信号の和Ｖ123A＋Ｖ123Bと差Ｖ123A−Ｖ123Bを用いることにより、移動側物体１０２の第２の軸方向の相対変位と供に進行方向を検出することが可能である。
【００１４】
（第４実施例）
図５は、本発明の第４実施例を示す光学式エンコーダの斜視図である。図５において、移動側物体１０２には、発光手段１５１、集光手段１５２、受光手段１５３が設けられている。一方、第１スケールと第２スケールは、例えばそれぞれ長方形のパターン形状を有する突起部が一定間隔で繰り返し配列されている。第１スケールと第２スケールの高さはそれぞれ異なっており、また、第１スケールと第２スケールは、それぞれの相対位置関係が、長方形パターンが例えば互いが直交するよう配設されている。図６に第１スケールと第２スケール交叉部の拡大図を示す。第１スケール突部の高さはｈA、第２スケール突部の高さはｈB、第１スケールと第２スケールが重なった部分の高さはｈA＋ｈBである。図７（ａ）はスケールの平面図である。また、図中に示すＣ−Ｃ‘線分に沿って発光手段１５１によって照射されたときに受光手段１５３で得られる信号を図７（ｂ）に示す。受光手段により得られる高さ情報は０、ｈA、ｈB、ｈA＋ｈBの４種類である。第１スケールの長手方法と直交する方向（Ｘ軸方向）の変位に関しては、受光手段１５３により得られる信号に高さ情報ｈAを含んだ状態から含まない状態に変化したとき、および高さ情報ｈAを含まない状態から含んだ状態に変化したとき１つカウントを進める。一方、第２スケールの長手方法と直交する方向（Ｙ軸方向）の変位に関しても同様に、受光手段１５３により得られる信号に高さ情報ｈBを含んだ状態から含まない状態に変化したとき、および高さ情報ｈBを含まない状態から含んだ状態に変化したときに１つカウントを進める。すなわち、図７（ｂ）においては、Ｘ軸方向の変位は３カウント、Ｙ軸方向の変位は２カウントとなる。
このようにしてカウント数を積算することにより、移動側物体１０２の２軸方向の変位量をそれぞれに検出することができる。
【００１５】
（第５の実施例）
図８は、本発明の第５の実施例を示す光学式エンコーダの斜視図である。図８において第４実施例と異なる点は、移動側物体１０２に、位相差用発光手段１６１、位相差用の多点集光手段１６２、位相差用受光手段１６３が付加されている点である。
第１のスケール１０３上または第２のスケール１０４上に集光される投射光スポットの位置関係を図１０に示す。図１０において、１０９は発光手段１５１から出射した投射光が第１のスケール面上または第２のスケール上に集光した投射光スポット、１１０は位相差用発光手段１６１から出射した位相差用投射光が第１のスケール面上または第２のスケール面上に集光した位相差用投射光スポットである。
位相差用投射光スポット１１０が、投射光スポット１０９に対してＸ軸方向にも第２の軸方向にも例えば１／４周期分の位相差を有するように、位相差用発光手段１６１、位相差用の多点集光手段１６２、位相差用受光手段１６３は配置されている。
動作について説明する。第１の受光手段１５３から得られる信号を基に位置検出検を行う方法は実施例４と同様である。この状態で、移動側物体１０２が移動すると、第３受光手段１３４には、Ｘ軸の進行方向に応じて第１の受光手段１１４よりも１／４ピッチ分位相が進むか、遅れて光量の変化が生じる。この第１の受光手段１５３と第２受光手段１６３との検出信号を用いることにより、移動側物体１０２のＸ軸方向の相対変位と供に進行方向を検出することが可能である。Ｙ軸についても同様に、第１の受光手段１５３と第２受光手段１６３の検出信号を用いることにより、移動側物体１０２の第２の軸方向の相対変位と供に進行方向を検出することが可能である。
なお、以上の各実施例では直交した第１のスケールと第２のスケールを例にしたが、必要に応じて他の角度で交叉するように配置したものであっても本発明の趣旨を逸脱するものではない。
また、以上の各実施例の第１のスケールと第２のスケールは、樹脂基板やガラス基板上に作製することが可能である。第１のスケールと第２のスケールの製造には、射出成形法、レプリカ製法、フォトリソグラフィによるエッチング、レーザ加工等の方法が利用できる。特に、樹脂基板上に作成する場合は、安価に製造できる射出成形法が有効な製造方法である。また、ガラス基板を用いれば、温度によるスケール精度の変動が少なく、移動側物体の変位量を精度良く測定できるという特徴がある。
さらに、各実施例の第１のスケールと前記第２のスケールは、異なる基板上に作製後、重ね合わせてもよいし、同一基板の表面と裏面にそれぞれのスケールを作成してもよい。スケール基板を薄くする必要がある場合には、同一基板の表面と裏面に作成する方が好ましい。
【００１６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、スケールを２層構造にしそれに対して固有の検出器を備えているので、１つの光学式エンコーダで２次元の相対変位が測定でき、システムを簡易に構成できる効果がある。
また、１つのスケールに凹凸情報をもたせているので、検出器が１個ですみ２次元の光学式エンコーダを簡易に構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示す光学式エンコーダの斜視図
【図２】本発明の第２の実施例を示す光学式エンコーダの斜視図
【図３】図２におけるスケールを示す平面図
【図４】本発明の第３の実施例を示す光学式エンコーダの斜視図
【図５】本発明の第４の実施例を示す光学式エンコーダの斜視図
【図６】図５におけるスケールを示す平面図
【図７】第４の実施例における動作の説明図で、（ａ）はスケールの平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ‘線分に沿って移動した場合の信号波形成図
【図８】本発明の第５の実施例を示す光学式エンコーダの斜視図
【図９】従来の光学式エンコーダの斜視図
【符号の説明】
１０１  固定側物体
１０２  移動側物体
１０３  第１のスケール
１０３Ａ  光反射部
１０３Ｂ  光透過部
１０４  第２のスケール
１０４Ａ  光反射部
１０４Ｂ  光透過部
１０５  第１の投射光スポット
１０６  第２の投射光スポット
１０９  投射光スポット
１１１  第１の発光手段
１１２  第１の集光手段
１１３    第１の受光手段
１１３Ａ  受光部
１１３Ｂ  受光部
１２１  第２の発光手段
１２２  第２の集光手段
１２３    第２の受光手段
１２３Ａ  受光部
１２３Ｂ  受光部
１３１  第３発光手段
１３２  第３集光手段
１３３  第３受光手段
１４１  第４発光手段
１４２  第４集光手段
１４３  第４受光手段
１５１  発光手段
１５２  集光手段
１５３    受光手段
１６１  位相差用発光手段
１６２  位相差用の多点集光手段
１６３  位相差用受光手段
２０１  固定側物体
２０２  Ｘ軸測定用リニアスケール
２０３  可動ロッド
２０４  Ｘ軸測定用読みとりヘッド
２０５  Ｙ軸測定用リニアスケール
２０６  Ｙ軸測定用読みとりヘッド
２０７  移動側物体
【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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【図９】
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