(57)【要約】  【課題】生成される主信号および原点信号間の誤差を低減するようにした光電式エンコーダを得る。  【解決手段】移動スケール４上に形成される主信号用の位相格子４ｇの一部に原点位相格子４ｓを設ける。インデッックス３によって分離された光は移動スケール４上の位相格子４ｇによってそれぞれ回折され、両回折光がともに主信号受光素子６の向きへ進む。両回折光は互いに干渉し、主信号受光素子６は干渉縞に応じて強弱を繰り返す正弦波信号を出力する。インデッックス３によって分離された光がミラー５ａおよび５ｂでそれぞれ反射され合流する位置を移動スケール４の原点位相格子４ｓが移動するとき、原点位相格子４ｓによる回折光は原点信号受光素子７ａおよび７ｂの向きへ進む。  【選択図】図１
2005055360.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動物体に固定された移動スケールと、
前記移動スケール上に形成され、前記可動物体の移動量を検出する多数の格子が前記可動物体の移動方向に配列された回折格子と、
前記回折格子の一部に形成された原点パターンと、
光源からの光から２つの光束を形成して前記移動スケールに照射する光束形成手段と、
前記回折格子から出射される光束の干渉光を検出する第１の光検出器と、
前記原点パターンから出射される光を検出する第２の光検出器とを有することを特徴とする光電式エンコーダ。
【請求項２】
請求項１に記載の光電式エンコーダにおいて、
前記原点スケールは、前記回折格子と格子間隔が異なる回折格子が配列されていることを特徴とする光電式エンコーダ。
【請求項３】
請求項１に記載の光電式エンコーダにおいて、
前記原点スケールは、格子が形成されていない部分であることを特徴とする光電式エンコーダ。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の光電式エンコーダにおいて、
前記回折格子と前記原点パターンとの表面には反射膜が形成されていることを特徴とする光電式エンコーダ。
【請求項５】
請求項１から３のいずれか１項に記載の光電式エンコーダにおいて、
前記回折格子または前記原点パターンのいずれか一方の表面には反射膜が形成されていることを特徴とする光電式エンコーダ。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の光電式エンコーダにおいて、
前記原点スケールは、前記回折格子中に複数形成されていることを特徴とする光電式エンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電式エンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数の回折格子を用いる干渉型の光電式エンコーダが知られている（例えば、特許文献１参照）。干渉型の光電式エンコーダでは、第１の回折格子で光源からの光を＋１次回折光と−１次回折光の２つの光束に分離し、この２つの光束がミラー等で移動スケール上に形成された第２の回折格子の同じ位置に照射される。第２の回折格子に入射した２つの光束は回折され、互いに平行な光となって射出して干渉し、光検出器に入射する。第２の回折格子が移動すると、光検出器で検出する干渉光の強度が変化する。この干渉光の強度の変化に基づいて、移動量を検出する。
【０００３】
上述した光電式エンコーダの移動スケールには第２の回折格子以外に原点を検出する原点パターンも形成されている（例えば、特許文献２参照）。この原点パターンは、第２の回折格子の横に金属膜を蒸着し、その一部に金属膜を蒸着しない部分を設けることによって形成される。第１の回折格子の横にも同様の原点パターンが形成されている。光源からの光は、第１の回折格子の横に設けられた原点パターンを透過し、第２の原点パターンに入射する。第２の原点パターンの金属膜が蒸着されていない部分に光が入射すると、第２の原点パターンを透過し原点検出用の光検出器で検出され、原点信号になる。
【０００４】
また、第２の原点パターンとして一部だけに金属膜を蒸着し、第１の原点パターンを透過した光を反射させて、検出する方法もある。この場合には光源からの光を斜め方向から第１の原点パターンに照射することによって、第２の原点パターンに斜め方向から光を照射し、第２の原点パターンの反射光の光路上に原点検出用の光検出器を配置して、光を検出する。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２-８１９６４号公報
【特許文献２】特開２００２-２８６５０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した原点パターンは、移動量を検出する第２の回折格子とは別の位置に形成されているため、誤差が生じ、測定精度が低下してしまうという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による光電式エンコーダは、可動物体に固定された移動スケールと、移動スケール上に形成され、可動物体の移動量を検出する多数の格子が可動物体の移動方向に配列された回折格子と、回折格子の一部に形成された原点パターンと、光源からの光から２つの光束を形成して移動スケールに照射する光束形成手段と、回折格子から出射される光束の干渉光を検出する第１の光検出器と、原点パターンから出射される光を検出する第２の光検出器とを有することを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光電式エンコーダにおいて、回折格子と格子間隔が異なる回折格子が配列されるように原点スケールを構成したことを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の光電式エンコーダにおいて、格子が形成されていない部分によって原点スケールを構成したことを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか１項に記載の光電式エンコーダにおいて、回折格子と原点パターンとの表面には反射膜が形成されていることを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、請求項１から３のいずれか１項に記載の光電式エンコーダにおいて、回折格子または原点パターンのいずれか一方の表面には反射膜が形成されていることを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、請求項１から５のいずれか１項に記載の光電式エンコーダにおいて、原点スケールが回折格子中に複数形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、移動スケールによる信号と原点パターンによる信号の間の誤差を低減する光電式エンコーダを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。
（第一の実施形態）
図１は、本発明の第一実施形態による光電式リニアエンコーダの要部構成を示す図である。光電式エンコーダは、リニアモータなどのアクチュエータ（不図示）の移動量（変位）検出用の信号を生成し、生成信号をアクチュエータの駆動制御回路（不図示）へ送出する。駆動制御回路は、光電式エンコーダからの信号を用いてアクチュエータ（不図示）の移動速度や変位量などを制御する。
【００１０】
図１の光電式エンコーダは、光源１と、コンデンサーレンズ２と、インデックス３と、移動スケール４と、ミラー５ａおよび５ｂと、主信号受光素子６と、原点信号受光素子７ａおよび７ｂとを有する。光源１から射出する光は、コンデンサーレンズ２で平行光に変換された後、インデックス３に照射される。インデックス３は、たとえば、透過型位相格子３ｇによって構成されている。インデックス３の位相格子３ｇが形成されている方向は、後述する移動スケール４における格子形成方向と一致している。インデックス３に入射された平行光は位相格子３ｇで±１次回折され、＋１次光がミラー５ａに向けて進み、−１次光がミラー５ｂに向けて進む。±１次回折光はさらに、ミラー５ａおよび５ｂでそれぞれ反射され、両回折光はともに図１の実線で示すように移動スケール４へ入射する。
【００１１】
（主信号）
移動スケール４は、アクチュエータなどの移動部材（不図示）に固定され、移動部材と一体で移動するように構成されている。移動スケール４は、たとえば、透過型位相格子４ｇによって構成される。透過型位相格子４ｇは、例えばガラス基板の表面に所定の間隔で溝（格子）が形成されているもの等である。移動スケール４の位相格子４ｇは、移動スケール４の移動方向と一致するように形成されている。移動スケール４に入射した±１次回折光は、移動スケール４で再び±１次回折される。回折後の光束は図１の点線で示すように下方向へ進み、主信号受光素子６へ入射する。このとき、合流した回折光が干渉することにより、主信号受光素子６で受光される光は受光素子６の受光面を通過する干渉縞に応じて強弱を繰り返す。この結果、主信号受光素子６による光電変換信号は正弦波信号となる。
【００１２】
（原点信号）
移動スケール４に形成される位相格子４ｇ中には、位相格子４ｇの格子のピッチとは異なる格子ピッチの原点位相格子４ｓが形成されている。上述したミラー５ａおよび５ｂで反射される±１次回折光がともに入射され合流する位置を原点位相格子４ｓが移動するとき、入射光は原点位相格子４ｓで回折されて出射する。原点位相格子４ｓの格子ピッチは、位相格子４ｇの格子ピッチとは異なるので、原点位相格子４ｓで回折した光は、主信号受光素子６とは違う方向へ射出する。原点位相格子４ｓを出射した回折光の進む方向には原点信号受光素子７ａおよび７ｂが配置されている。ミラー５ａで反射され、原点位相格子４ｓで回折された光は原点信号受光素子７ａで検出され、ミラー５ｂで反射され原点位相格子４ｓで回折された光は原点信号受光素子７ｂで検出される。
【００１３】
ミラー３ａ、およびミラー３ｂによって反射された光が、移動スケール２に入射して合流する位置を移動スケール２の原点パターン４ｓが移動（通過）するときに、原点信号受光素子７ａおよび７ｂでそれぞれ受光される光は最大になる。原点信号受光素子７ａおよび７ｂによる光電変換信号は原点信号と呼ばれる。
【００１４】
また、原点位相格子４ｓは、原点位相格子４ｓの幅を持ったスリットとして機能する。原点信号受光素子７ａおよび７ｂには４ｓと同じ幅のスリット７ｃおよび７ｄがそれぞれ設けられている。移動スケール４の移動に応じて原点位相格子４ｓの位置が変化すると、原点位相格子４ｓとスリット７ｃ、７ｄはスリットシャッターとして働き、原点信号受光素子７ａおよび７ｂに入射する光量が変化し、信号の強弱が生じる。なお、原点受光素子にスリットを設けず、その代わりに受光素子の幅を狭くして、受光素子自体の幅でスリットの役割を果たしても構わない。
【００１５】
本実施形態では、位相格子ピッチが２．４μｍ、原点パターン４ｓの幅は１００μｍである。原点位相格子４ｓの幅は、入射光の直径に比べて小さければ任意の幅で構わない。原点位相格子４ｓの幅が入射光の直径（たとえば、直径３ｍｍの円形）に比べて小さいければ、移動スケール４に入射した光の一部は、原点位相格子４ｓに入射して原点信号を発生するが、残りの光は位相格子４ｇに入射して、主信号を発生させることができる。従って原点位相格子４ｓを位相格子４ｇ中に形成しても、主信号を発生させる干渉光は途切れることなく主信号受光素子６で検出されるため、主信号は途切れない。
【００１６】
本実施形態では、移動スケール４上に形成される主信号用の位相格子４ｇに局所的に態様の異なる原点位相格子４ｓを設けている。このことにより、一つの入射光学系で主信号光学系と原点信号光学系を構成することができ、エンコーダ光学系の構成が簡単になり、小型化も容易である。また、移動スケール４上で主信号用の位相格子４ｇおよび原点信号用の原点位相格子４ｓを同一ライン上に形成できるので、アッベ誤差の発生を抑えることができ、測定精度を向上させることができる。
【００１７】
なお、本実施形態は以上に示したものに限らず、以下のように変形しても構わない。インデックス３および移動スケール４には位相格子を用いたが、位相格子の代わりに明暗格子を用いるようにしても構わない。
【００１８】
また、インデッックス３の代わりに、光源１からの光を２つに分離し、ミラー５ａおよび５ｂにそれぞれ導くビームスプリッタを使用してもよい。
【００１９】
さらにまた、本実施形態では、原点位相格子４ｓは位相格子４ｇと格子ピッチが異なるものを使用しているが、原点位相格子４ｓとして格子を形成しない部分を設けても構わない。格子が形成されていない場合、原点位相格子４ｓに入射した光はそのまま原点位相格子４ｓを透過する。原点位相格子４ｓを透過し、射出する光の光路に原点受光素子７ａおよび７ｂを配置し、原点信号を受光する。
【００２０】
本実施形態では、原点信号受光素子を２つ使用しているが、必ずしも２つ配置する必要はなく、いずれか一方でも構わない。
【００２１】
原点位相格子４ｓは位相格子４ｇと平行である必要はなく、原点位相格子４ｓの格子の配列の方向を、位相格子４ｇの格子の配列方向に直交する向きにしても構わない。この場合には、原点信号を発生させる回折光は、原点位相格子４ｓの格子と直交する方向に射出するため、原点受光素子７ａおよび７ｂは図１に示した向きから９０度回転させて配置する。
【００２２】
また、原点位相格子４ｓは一ヶ所に限らず、位相格子部４ｇ中に複数設けて、原点信号強度を上げても構わない。例えば、原点位相格子４ｓを移動スケール８中に２ヶ所設ける場合には、入射光の照射範囲内に２ヶ所の原点が同時に入るように原点位相格子４ｓを形成する。この場合の原点受光素子７ａ、７ｂには、それぞれ２ヶ所の原点位相格子４ｓの間隔に対応する間隔で２つのスリットを設ける。このような構成の場合には、２ヶ所の位相格子４ｓと原点受光素子７ａ、７ｂの２つのスリットが一致したときに光強度が最大になり、原点がひとつの場合の倍の原点信号を得ることができる。
【００２３】
（第二の実施形態）
第二の実施形態では、移動スケールを反射型位相格子で構成している。図２は、反射型位相格子によって移動スケール８を構成する場合の要部構成図である。図２において光電式エンコーダは、光源１と、コンデンサーレンズ２と、インデックス３と、移動スケール８と、ミラー５ａおよび５ｂと、主信号受光素子９と、原点信号受光素子１０ａおよび１０ｂとを有する。インデックス３は、第一実施形態と同様の透過型位相格子３ｇによって構成され、光源１からの平行光が入射される。インデックス３の位相格子３ｇが形成されている方向は、移動スケール８の格子形成方向と一致する。インデックス３に入射した平行光は位相格子３ｇで±１次回折され、＋１次光がミラー５ａに向けて進み、−１次光がミラー５ｂに向けて進む。±１次回折光はさらに、ミラー５ａおよび５ｂでそれぞれ反射され、両回折光はともに図２の実線で示すように移動スケール８へ入射する。
【００２４】
（主信号）
移動スケール８は、第一実施形態と同様に、移動部材（不図示）と一体で移動するように構成されている。移動スケール８の位相格子８ｇは、移動スケール４Ｂの移動方向と合致する方向に形成されている。移動スケール８上には連続して所定ピッチで位相格子８ｇと位相格子８ｇとはピッチが異なる原点位相格子８ｓが形成されている。移動スケール８はその表面の格子部の全領域に金属（金など）などを蒸着することにより反射コーティングが施されている。反射コーティングは金属に限られず、光を反射させるもの膜であれば構わない。
【００２５】
図２において、移動スケール８の位相格子８ｇに入射した±１次回折光は、移動スケール８で再び±１次に回折され反射される。回折反射後の光束は図２の上方向へ進み、移動スケール８の上方に配置された主信号受光素子９へ入射する。このとき、両回折光が干渉することにより、主信号受光素子９では移動スケール８の移動に応じて正弦波信号が観測される。
【００２６】
（原点信号）
ミラー５ａおよび５ｂで反射される±１次回折光がともに入射され合流する位置を原点位相格子８ｓが通過すると、２つの回折光は原点位相格子８ａで回折して反射し、反射後の回折光が進む方向に配置された原点信号受光素子１０ａおよび１０ｂにそれぞれ入射し、原点信号を発生させる。
【００２７】
第一実施形態と同様に、原点位相格子８ｓはスリットとして機能する。また、原点信号受光素子１０ａおよび１０ｂには原点位相格子８ｓと同じ幅のスリットが設けられている（不図示）。これにより原点位相格子８ｓが移動スケール８の移動に応じて位置が変化すると、スリットシャッターとして働き、原点信号受光素子１０ａおよび１０ｂでは信号の強弱が確認できる。
【００２８】
以上説明した様に移動スケール８で回折光を反射させ、主信号、原点信号検出する構成にしても、第一実施形態と同様の作用効果を奏する。また本実施形態では、インデックス３と移動スケール８の間の空間に主信号受光素子９と原点信号受光素子１０ａ、１０ｂを配置しているため、エンコーダを小型化することができる。
【００２９】
本実施形態では、原点位相格子８ｓにも金を蒸着して反射コートを施しているが、原点位相格子８ｓの領域にのみ金コートを施さない様にしても構わない。この場合には、原点信号受光素子１０ａ、１０ｂは第一実施形態と同様に移動スケール８の下方に配置される。原点信号は原点位置でパワーが最大になり、その他の領域ではパワーが最小となる。
【００３０】
以上の説明では、リニアモータなどの移動量を検出するリニアエンコーダを例に説明したが、ロータリモータの回転角を検出するロータリエンコーダにも本発明を適用できる。この場合には、ロータリエンコーダに円板を設け、この円板の外周部分に主信号用格子列を形成するとともに、格子列の一部に局所的に態様の異なる原点格子を形成すればよい。
【００３１】
特許請求の範囲における各構成要素と、発明を実施するための最良の形態における各構成要素との対応について説明する。原点パターンは、たとえば、原点位相格子４ｓ（８ｓ）によって構成される。光束形成手段は、たとえば、インデックス３、ミラー５ａおよび５ｂによって構成される。第１の光検出器は、主信号受光素子６（９）によって構成される。第２の光検出器は、たとえば、原点信号受光素子７ａおよび７ｂ（１０ａおよび１０ｂ）によって構成される。なお、本発明の特徴的な機能を損なわない限り、各構成要素は上記構成に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の第一実施形態による光電式リニアエンコーダの要部構成を示す図である。
【図２】本発明の第二実施形態による光電式リニアエンコーダの要部構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１…光源
３…インデックス
３ｇ、４ｇ、８ｇ…位相格子
４、８…移動スケール
４ｓ、８ｓ…原点位相格子
５ａ、５ｂ、…ミラー
６、９…主信号受光素子
７ａ、７ｂ、１０ａ、１０ｂ…原点信号受光素子
７ｃ、７ｄ…スリット
【図１】
2005055360.tif 000003
【図２】
2005055360.tif 000004