(57)【要約】【課題】光学式エンコーダにおいて、正確な原点信号を得ることを可能とする。【解決手段】計測対象に固定されたスケール（１８）に、原点計測用スリット（１８ａ）を含む原点トラックを形成し、光源（１２）から射出するビームを、そのスポットが原点トラック上でスケールの移動方向と垂直な方向に延在する部分を有する、例えば線状又は楕円状になるように集光する。これにより、原点計測用スリットの一部に例えば欠陥や異物の付着がある場合であっても、良好に原点信号を得ることが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測方向に沿って配置された周期的なパターンが形成された第１のトラック領域と、原点計測用のパターンが形成された第２のトラック領域とが前記計測方向に直交する方向に並んで配置されたスケールと；
前記スケール上の前記第２のトラック領域の一部の領域に、前記計測方向に直交する方向に延在する部分を有する形状の光束を照射する光学系と；
前記スケールを介した光束を検出する検出系と；を備えるエンコーダ。
【請求項２】
前記光学系は、前記スケール上の前記第２のトラック領域の一部の領域に、前記計測方向に直交する方向に細長い形状の光束、細長い楕円形状の光束、細長い多角形状の光束、及び線状の光束のいずれかを照射する請求項１に記載のエンコーダ。
【請求項３】
前記光学系は、前記第１のトラック領域の一部の領域に光束を照射する請求項１又は２に記載のエンコーダ。
【請求項４】
前記検出系は、前記スケールを介した光を受光する受光面が複数に分割された分割受光素子を有し、該分割受光素子からの受光面ごとの出力に基づいて原点位置及び前記光学系の光軸方向に関する前記スケールの位置を検出することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のエンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はエンコーダに係り、更に詳しくは、移動体の位置制御などに用いられるエンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、移動体の位置制御などを行なう際には、例えば、移動体に固定されたスケールに光を照射し、スケールと光との相対移動によって変化する反射光又は透過光に基づいて、移動体の位置を検出する光学式エンコーダがよく用いられている。
【０００３】
光学式エンコーダとしては、例えば特許文献１に示されるように、円周方向に所定の間隔で明暗を繰り返すコードパターンを形成したコード板にスポット光を照射し、コードパターンを読み取る構成が知られている。
【０００４】
この光学式エンコーダでは、コード板の回転基準位置を検出するために、コードパターンの一本を径方向に延長した原点パターンが形成されている。このような光学式エンコーダは、原点パターンに集光するビームのスポット径を小さくするとともに、スケールピッチを狭くすることで変化度合いが非常に急峻な原点信号を得ることができる。しかしながら、原点パターンにキズや欠陥、又は異物の付着などがある場合には、計測信頼性が著しく低下してしまう。特に、光学式エンコーダをナノオーダの分解能で使用した場合には、原点の検出ができなくなることも予想される。
【０００５】
【特許文献１】特公平７−８５０２４号公報
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
なお、ここでは、便宜上、一実施形態を表す図面の符号に対応付けて説明するが、本発明が当該実施形態に限定されるものでないことは勿論である。
【０００７】
本発明は、計測方向に沿って配置された周期的なパターンが形成された第１のトラック領域（１８ｂ、３４ａ、３４ｂ）と、原点計測用のパターン（１８ａ、３３）が形成された第２のトラック領域とが前記計測方向に直交する方向に並んで配置されたスケール（１８、３０）と；前記スケール上の前記第２のトラック領域の一部の領域に、前記計測方向に直交する方向に延在する部分を有する形状の光束を照射する光学系（１４、１６、２４）と；前記スケールを介した光束を検出する検出系（２０、４０）と；を備えるエンコーダである。
【０００８】
これによれば、原点計測用のパターンが形成された第２トラック領域には、計測方向に直交する方向に延在する部分を有する形状の光束が照射される。したがって、スケールの原点パターンに、例えば、点状に光束を集光した場合には信号が得られないようなキズや欠陥、又は異物の付着などがあっても、急峻な原点信号を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
《第１の実施形態》
以下、本発明の第１の実施形態を図１に基づいて説明する。図１には、第１の実施形態に係るエンコーダ１０の主要部の概略構成が示されている。
【００１０】
エンコーダ１０は、移動体（不図示）に固定されたスケールにビームを照射して、その透過光に基づいて移動体の変位を検出する光学式エンコーダである。このエンコーダ１０は、長手方向を計測方向（Ｘ軸方向）とする長方形板状のスケール１８と、光学系と検出系とを有し、光学系及び検出系は、このスケール１８の＋Ｚ側に順次配置されたシリンドリカルレンズ１６、コリメートレンズ１４及び光源１２、スケール１８の−Ｚ側に配置された受光素子２０、並びに不図示の制御装置などを備えている。
【００１１】
スケール１８は、上面（＋Ｚ側の面）の−Ｙ側の端部近傍に回折格子１８ｂが形成され、ほぼ中央部にはＹ軸方向を長手方向とし、幅（Ｘ軸方向の長さ）１．６μｍ程度のスリット１８ａが形成されている。回折格子１８ｂは長手方向をＹ軸方向としスリット１８ａと同程度の幅（１．６μｍ）の格子溝がＸ軸方向に沿って等間隔に配置されることにより形成されている。以下、説明の便宜上、回折格子１８ｂが形成された領域を計測トラック１８ｂとも呼ぶものとし、計測トラック１８ｂの＋Ｙ側のスリット１８ａを含む領域を原点トラックとも呼ぶものとする。
【００１２】
スケール１８は、Ｙ軸方向の一端が不図示の移動体に固定され、該移動体が移動することにより、光源１２から射出されるビームに対して相対移動するようになっている。
【００１３】
光源１２は、可干渉性の光を射出するＬＥＤ光源であり、光源１２から射出されたビームはコリメートレンズ１４によりＺ軸に平行な略平行光に整形され、シリンドリカルレンズ１６へ入射する。
【００１４】
シリンドリカルレンズ１６は、ビームの像をＸ軸方向に縮めるような屈折力を有し、スケール１８の原点トラック上に、ビームスポットがＹ軸方向を長手方向とする楕円状、又は線状になるようにビームを集光する。
【００１５】
受光素子２０は、スケール１８のスリット１８ａを通過したビームを受光して、受光したビームの強度に応じた信号を出力する。
【００１６】
制御装置（不図示）は、光源１２を駆動してビームをスケール１８に照射するとともに、受光素子２０からの信号を常時モニタし、該信号が所定の閾値をこえた場合には、例えば移動体を駆動する不図示の駆動装置に原点信号を出力する。
【００１７】
また、エンコーダ１０は、レーザダイオード、該レーザダイオードから射出されるビームをスケール１８に形成された計測トラック１８ｂ上に集光する光学系、計測トラック１８ｂを透過した透過光を受光する受光器など（いずれも不図示）を備える。
【００１８】
上述のように構成されたエンコーダ１０では、移動体が移動することによりスケール１８はＸ軸方向に沿って移動し、スケール１８上のビームの集光位置とスリット１８ａの位置が一致すると、ビームはスリット１８ａを通過して受光素子２０へ入射する。受光素子２０は入射したビームの強度に応じた信号を制御装置に出力し、制御装置はこの信号に基づいて原点信号を作成し、例えば、移動体を駆動する駆動装置などに出力する。また、移動体のＸ軸方向の変位は計測トラック１８ｂからの透過光を介して常時計測される。
【００１９】
以上説明したように、本実施形態に係るエンコーダ１０によると、光源１２から射出されたビームは、集光レンズ１４及びシリンドリカルレンズ１６を介してスケール１８の原点トラックに、Ｙ軸方向を長手方向とする楕円状又は線状に集光される。これにより、スリットの一部に欠陥や異物の付着などがあり、ビームの一部が遮蔽されたとしても、遮蔽されたビームは通過するビームのごく僅かであるため、受光素子２０には十分な強度のビームが到達する。すなわち、原点トラックにビームを点状に集光する場合のように、ビームの集光点とスリット１８ａの欠陥などが重なって、十分な強度のビームが受光素子２０に到達しなくなるようなことがない。したがって、スリット１８ａの一部に欠陥などがあっても急峻な信号を得ることができ、良好な原点検出を行なうことが可能となる。
【００２０】
また、例えば、移動体の変位をナノオーダで検出するような場合には、スリット幅（Ｘ軸方向の長さ）もそれに応じて小さくなり異物等の影響を受けやすくなるが、スリット長（Ｙ軸方向の長さ）を異物等の大きさに比して十分に大きくとり、ビームがＹ軸方向に十分に大きな楕円状又は線状となるように集光すれば、異物等の影響を受けることなく急峻な信号を得ることができ、良好な原点検出を行なうことが可能となる。
【００２１】
なお、上記実施形態においては、計測トラックと原点トラックが併設されているが、原点トラックが形成されたスケールを、計測用のトラックが形成されたスケールと別に移動体に固定して原点を検出するようにしてもよい。
【００２２】
また、本実施形態では、スケール１８に形成されたスリット１８ａを透過したビームを受光して原点を検出したが、これに限らず、スリット１８ａに相当する部分の反射率を変えて、その反射光の強度の変化に基づいて原点を検出してもよい。例えば、スケール１８を透過率の高い部材で形成し原点位置に反射率の高い金属を蒸着させてラインパターンなどを形成してもよい。
【００２３】
《第２の実施形態》
次に、本発明の第２の実施形態を、図２に基づいて説明する。ここで、前述した第１の実施形態と同等の構成部分については、同一の符号を用いるとともに説明を簡略し又は省略するものとする。
【００２４】
図２には、第２の実施形態に係るエンコーダ１０の主要部の概略構成が示されている。このエンコーダ１０は、図２に示されるように、長手方向をＸ軸方向とする長方形板状のスケール３０と、光学系と検出系とを有し、光学系及び検出系は、このスケール３０の上方（＋Ｚ側）に順次配置された第１シリンドリカルレンズ２４、ビームスプリッタ２２、コリメートレンズ１４及び光源１２、ビームスプリッタ２２の側方（−Ｘ側）に順次配置された集光レンズ２６、第２シリンドリカルレンズ２８、４分割受光素子４０、並びに不図示の制御装置などを備えている。
【００２５】
スケール３０は、上面（＋Ｚ側の面）のＹ軸方向両端部近傍に回折格子３４ａ、３４ｂがそれぞれ形成され、ほぼ中央部にはＹ軸方向を長手方向とし、幅（Ｘ軸方向の長さ）１．６μｍ程度の格子溝３３が形成されている。それぞれの回折格子３４ａ、３４ｂは長手方向をＹ軸方向とし格子溝３３と同程度の幅（１．６μｍ）の格子溝がＸ軸方向に沿って等間隔に配置されることにより形成されている。以下、説明の便宜上、スケール３０上面の−Ｙ側の回折格子３４ａが形成された領域を計測トラック３４ａ、＋Ｙ側の回折格子３４ｂが形成された領域を計測トラック３４ｂとも呼ぶものとし、両計測トラック３４ａ、３４ｂに囲まれた格子溝３３を含む領域を原点トラックとも呼ぶものとする。
【００２６】
スケール３０は、Ｙ軸方向の一端が不図示の移動体に固定され、該移動体が移動することにより、光源１２から射出されるビームに対して相対移動するようになっている。また、スケール３０の表面は、一例として、金属が蒸着されることにより反射コーティングが施され、上述した回折格子３４ａ、３４ｂは反射型回折格子となっている。
【００２７】
ビームスプリッタ２２は、例えば２つの直角プリズムからなるキューブ型のビームスプリッタであり、−Ｚ側から入射したビームを反射して−Ｘ方向へ導光する。
【００２８】
第１シリンドリカルレンズ２４は、ビームスプリッタ２２を通過したビームの像をＸ軸方向に縮めるような屈折力を有し、スケール３０の原点トラック上に、ビームスポットがＹ軸方向を長手方向とする楕円状又は線状になるようにビームを集光するとともに、スケール３０で反射したビームの像をＸ軸方向へ引き伸ばして、ビームスプリッタ２２へ入射させる。
【００２９】
集光レンズ２６は、ビームスプリッタ２２により−Ｘ方向へ導光されたビームを、図２に示される点Ｐ２で合焦するように集光する。
【００３０】
第２シリンドリカルレンズ２８は、集光レンズ２６を経由したビームの像をＺ軸方向に縮めるような屈折力を有し、点Ｐ２の＋Ｘ側にある光軸上の点Ｐ１での像がＹ軸に平行な直線Ｌ１と一致するようにビームを集光する。
【００３１】
ここで、上述した各光学素子１４，２２，２４，２６，２８により構成された光学系の作用について説明する。エンコーダ１０では、光源１２から射出されたビームは、コリメートレンズ１４により略平行光とされた後、ビームスプリッタ２２を通過し第１シリンドリカルレンズ２４へ入射する。第１シリンドリカルレンズ２４へ入射したビームはＸ軸方向の幅が縮められ、Ｙ軸方向を長手方向とする楕円状又は線状となってスケール３０の原点トラック上に集光される。原点トラックに集光されたビームは＋Ｚ方向に反射され、第１シリンドリカルレンズ２４を経由することにより略平行光となって、ビームスプリッタ２２へ入射し−Ｘ方向へ導光される。
【００３２】
−Ｘ方向へ導光されたビームは、集光レンズ２６を通過することにより、図２における点Ｐ２で集光するように整形されるとともに、第２シリンドリカルレンズ２８を通過することにより、Ｚ軸方向の成分が直線Ｌ１上で零となるように整形される。
【００３３】
詳述すると、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示されるように、スケール３０で反射したビームは、集光レンズ２６と第２シリンドリカルレンズ２８の相互作用により、Ｚ軸方向の成分は点Ｐ１の位置で一旦零に収束したのち点Ｐ２に向かうにしたがって発散するように整形される。そして、Ｙ軸方向の成分は点Ｐ２で零に収束するように整形される。すなわち、第２シリンドリカルレンズ２８を通過したビームは、その像が点Ｐ１の位置ではＹ軸に平行な直線Ｌ１と一致し、点Ｐ２の位置では点Ｐ２を通りＺ軸に平行な直線Ｌ２と一致するように整形される。
【００３４】
したがって、点Ｐ１と点Ｐ２のほぼ中間にあるＺＹ面に平行な面Ｊを通過するビームの断面形状は、Ｚ軸方向の成分とＹ軸方向の成分がほぼ同一となり円形状になる。また、面Ｊよりも点Ｐ１に近い面Ｎを通過するときには、面Ｊでの断面形状と比較してＹ軸方向の成分が大きくなり、Ｚ軸方向の成分が小さくなる。換言すれば面Ｎでの断面形状はＹ軸方向を長手方向とする楕円形状となる。また、面Ｊよりも点Ｐ２に近い面Ｆを通過するときには、面Ｊの断面形状と比較してＹ軸方向の成分が小さくなり、Ｚ軸方向の成分が大きくなる。換言すれば面Ｆでの断面形状はＺ軸方向を長手方向とする楕円形状となる。
【００３５】
４分割受光素子４０は、図２及び図４（Ａ）を総合するとわかるように、受光面の中心が第２シリンドリカルレンズ２８を通過したビームの中心軸と一致し、かつ、受光面が上述した面Ｊと一致するように配置されている。そして、受光面は、例えば図４に拡大して示されるように、正方形状の４つの領域４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄに分割され、ビームが入射すると４分割受光素子４０からはそれぞれの領域４０ａ〜４０ｄに入射したビームの強度に応じた４つの信号が出力されるようになっている。
【００３６】
制御装置（不図示）は、光源１２を駆動してビームをスケール３０に照射するとともに、４分割受光素子４０からの信号をモニタして、例えば、移動体を駆動する不図示の駆動装置等に原点信号を出力する。
【００３７】
また、エンコーダ１０は、レーザダイオード、該レーザダイオードから射出されるビームをスケール３０に形成された計測トラック３４ａ、３４ｂ上に集光する光学系、計測トラック３４ａからの反射光を受光する受光器など（いずれも不図示）を備える。
【００３８】
上記のように構成されるエンコーダ１０では、移動体がＸ軸方向へ移動するのに伴いスケール３０がＸ軸方向に沿って移動し、ビームの集光位置と原点トラックに形成された格子３３の位置が一致すると、ビームは回折され４分割受光素子４０へ入射するビーム強度が小さくなる。すなわち、４分割受光素子４０からの４つの信号の和（加算値）はそれぞれ所定の値以下となる。制御装置は４分割受光素子４０からの４つの信号の加算値が所定の値以下となったら原点信号を出力する。
【００３９】
また、４分割受光素子４０からの４つの信号のいずれかが所定の値以上の場合には、それぞれの信号に基づいて非点収差法を用いたスケール３０と検出系とのＺ軸方向の相対位置検出が行なわれる。詳述すると、上述したように４分割受光素子４０は、受光面がＪ面と一致するように配置されている。したがって、スケール３０の原点トラックのＺ軸方向における位置とビームの合焦している位置が一致している場合には、図４（Ａ）に示されるように、４分割受光素子４０の受光面に入射するビームのビームスポットはほぼ円形になり、それぞれの領域４０ａ〜４０ｄにはほぼ均等にビームが入射する。この時には、それぞれの領域４０ａ〜４０ｄに対応した４つの信号はほぼ同じ値となる。
【００４０】
また、スケール３０が−Ｚ方向へ移動すると、集光レンズ２６へ入射するビームは収束光となり、４分割受光素子４０の受光面に入射するビームのビームスポットは図４（Ｂ）に示されるように縦長の楕円形状になり、領域４０ａ、４０ｄに対応する出力信号が増大し、領域４０ｂ、４０ｃに対応する出力信号が減少する。また、スケール３０が＋Ｚ方向へ移動すると、集光レンズ２６へ入射するビームは発散光となり、４分割受光素子４０の受光面に入射するビームのビームスポットは図４（Ｃ）に示されるように横長の楕円形状になり、領域４０ａ、４０ｄに対応する出力信号が減少し、領域４０ｂ、４０ｃに対応する出力信号が増大する。したがって、制御装置は受信した出力信号を演算し、その演算結果に応じてスケール３０の検出系に対するＺ軸方向における位置を検出することが可能となる。
【００４１】
なお、領域４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄに応じた４分割受光素子４０からの出力信号をＳａ、Ｓｂ、Ｓｃ、Ｓｄとすると、例えば（Ｓａ＋Ｓｄ）−（Ｓｂ＋Ｓｃ）の演算結果に基づいて、スケール３０が取り付けられた移動体と、ビームとのＺ軸方向への相対移動を制御してもよい。この場合、制御装置は検出結果に応じた信号を例えば、移動体を駆動する駆動装置などに出力する。ビームスポットが図４（Ａ）に示されるように円形となるように、移動体を検出系に対してＺ軸方向に相対移動させる。ビームスポットが図４（Ｂ）に示されるように縦長の楕円形状になるときは移動体を検出系に対して＋Ｚ方向に相対移動させ、ビームスポットが図４（Ｃ）に示されるように横長の楕円形状になるときは、移動体を検出系に対して−Ｚ方向に相対移動させればよい。すなわち、上記演算結果は、スケール３０が検出系に対して−Ｚ方向へ相対移動するにつれて大きくなり、＋Ｚ方向へ相対移動するにつれて小さくなる。また、移動体のＸ軸方向の変位は計測トラック３４ａ、３４ｂからの反射光を介して常時計測される。
【００４２】
以上説明したように、本実施形態に係るエンコーダ１０によると、光源１２から射出されたビームは、スケール３０の原点トラックにＹ軸方向を長手方向とする楕円状又は線状に集光される。これにより、原点トラックの一部に欠陥や異物の付着などがあり、ビームの一部が散乱されたとしても、散乱されたビームは反射するビームのごく僅かであり、４分割受光素子４０には十分な強度のビームが到達する。すなわち、原点トラックにビームを点状に集光する場合のように、ビームの集光点と原点トラックの欠陥などが重なって、十分な強度のビームが４分割受光素子４０に到達しなくなるようなことがない。したがって、原点トラックの一部に欠陥があったとしても、スケール３０のＺ軸方向の位置計測を良好に行なうことが可能であるとともに、原点の検出も良好に行なうことが可能となる。
【００４３】
また、例えば、移動体の変位をナノオーダで検出するような場合には、格子溝の幅（Ｘ軸方向の大きさ）もそれに応じて小さくなり異物等の影響を受けやすくなるが、格子溝３３の長さ（Ｙ軸方向の大きさ）を異物等の大きさに比して十分に大きくとり、ビームがＹ軸方向に十分に大なスポット形状となるように集光すれば、異物等の影響を受けることなく急峻な信号を得ることができ、良好にスケールのＺ軸方向の位置計測や原点検出を行なうことが可能となる。
【００４４】
なお、本実施形態ではＺ軸方向の位置を検出する場合に、集光レンズ２６と第２シリンドリカルレンズ２８の相互作用により生じた非点収差を利用して、ビームの中心軸方向の位置検出を行なう非点収差法を用いたが、これに限らず、第２シリンドリカルレンズ２８に代えてビームの一部を遮蔽するように遮蔽部材を配置し、該遮蔽部材を経由したビームに基づいてスケール１８のＺ軸方向の位置を検出するナイフエッジ法や、シリンドリカルレンズ２８に代えて頂角の大きい三角形状プリズムを配置して、該プリズムを経由したビームに基づいてスケール１８のＺ軸方向の位置を検出するフーコー法などを用いることとしてもよい。
【００４５】
また、本実施形態では、原点位置をビームの格子溝３３による回折を利用して検出したが、これに限らず、格子溝に代えてスリットを設け、該スリットの透過光に基づいて検出してもよい。
【００４６】
なお、上記各実施形態において、スケールの基板を光透過性部材で形成し、その表面に金属膜を蒸着すると共に、一部の金属膜を残存するか、あるいは、一部の金属膜を除いて取り除くなどによって、計測トラック及び原点トラックに形成されるパターンを形成してもよい。この場合、計測トラックには、遮光部と透過部とが繰り返し形成されることになる。また、原点トラックは、金属膜の中の一部に光透過部が形成される。
【００４７】
また、原点パターンと、計測スケールの一部のパターンとが連続していてもよい。さらに、計測トラックと原点トラックの検出系を共用させてもよい。
【００４８】
実施形態では、原点トラックに照射されるビームの形状を楕円状又は線状で説明したが、ビーム形状はこれに限定されるものではなく、細長い形状であったり、任意の角度をもった多角形のものであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
以上説明したように、本発明のエンコーダは移動体の位置計測を行なうのに適している。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るエンコーダ１０の概略的な構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係るエンコーダ１０の概略的な構成を示す斜視図である。
【図３】エンコーダ１０の光学系の作用を説明するための図である。
【図４】図４（Ａ）、図４（Ｂ）及び図４（Ｃ）は図２における４分割受光素子４０に受光される光スポットの形状を説明するための図である。
【符号の説明】
【００５１】
１０…エンコーダ、１２…光源、１４…コリメートレンズ、１６…シリンドリカルレンズ、１８…スケール、１８ａ…スリット、１８ｂ，３４ａ，３４ｂ…計測トラック、２０…受光素子、２２…ビームスプリッタ、２４…第１シリンドリカルレンズ、２６…集光レンズ、２８…第２シリンドリカルレンズ、４０…４分割受光素子。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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