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技術 光学式エンコーダ

出願人 株式会社ミツトヨ
発明者 加藤慶顕
出願日 2015年6月11日 (5年5ヶ月経過) 出願番号 2015-118122
公開日 2017年1月5日 (3年10ヶ月経過) 公開番号 2017-003447
状態 特許登録済
技術分野 光学的変換
主要キーワード 内挿誤差 透過型エンコーダ 反射型エンコーダ 単相信号 反射型スケール スケール格子 度回折 検出ヘッド
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (18)

課題

周期Pの格子スケールの相対的な移動に応じた周期Pの半分(P/2)の検出分解能を有し、かつ、容易に作製できる光学式エンコーダを提供すること。

解決手段

スケール140は、周期Pで形成されたスケール格子を有する。光源格子120は、光源110とスケール140との間に配置され、周期2Pで形成された格子を有する。干渉縞検出手段150は、光源格子120及びスケール140により生成された干渉縞の明部を周期Pで検出可能に構成される。干渉縞検出手段150は、スケール140からの光により生じる第1の干渉縞と、スケール140からの光により生じる、第1の干渉縞とは周期Pの半分(P/2)だけ明部の位置が異なる第2の干渉縞と、を検出する。

概要

背景

相対移動する2つの部材間相対変位を検出する装置として、種々のエンコーダが知られている。例えば、リニアエンコーダの例として、三格子原理を利用した光学式エンコーダが提案されている(特許文献1)。

三格子原理を利用した光学式エンコーダについて説明する。図14は、三格子原理を利用した光学式エンコーダ800の構成例を示す斜視図である。光学式エンコーダ800は、スケール840及び検出ヘッド870を有する。検出ヘッド870は、スケール840に対して測定方向(X軸方向)に移動する。検出ヘッド870は、スケール840に対する検出ヘッド870の相対的な移動量を検出する。

スケール840には、スケール格子841が設けられている。スケール格子841は光透過部842及び不透過部843を有する。光透過部842と不透過部843とは、測定方向(X軸方向)に周期Pで交互に配列されている。

検出ヘッド870は、光源110、光源格子120及び干渉縞検出手段850を有する。光源格子120は光透過部121及び不透過部122を有し、光源110の直下に設けられる。光透過部121と不透過部122とは、測定方向(X軸方向)に周期2Pで交互に配列されている。

干渉縞検出手段850は、受光格子851及びフォトダイオード852を有する。受光格子851は、光透過部853及び不透過部854を有し、フォトダイオード152の直上に設けられる。光透過部853と不透過部854とは、測定方向(X軸方向)に周期2Pで交互に配列されている。フォトダイオード852は、受光格子851を透過した光を電気信号に変換し、電気信号の強度変化から検出ヘッド870の移動量が検出される。

光学式エンコーダ800では、光源格子120、スケール格子841及び受光格子851が三格子原理を実現する3つの格子に対応する。光学式エンコーダ800は、光源格子120とスケール840との間のギャップ(G3)と、スケール840と受光格子151との間のギャップ(G4)とが等しくなる(G3=G4)ように構成される。

以下、光学式エンコーダ800でのスケール840の動きと3つの格子により生じる干渉縞の様子とを簡単に説明する。ここでは、図15〜図17を参照し、スケール840が測定方向(X軸方向)に半周期(P/2)移動するごとに、三格子原理により信号強度ピークが現れることを説明する。

図15は、初期状態における検出ヘッド870及びスケール840の断面構成を模式的に示す図である。図15は、図14のXV−XV線における断面を示している。初期状態においては、光源格子120とスケール格子841とで格子が揃っていない状態を示している。換言すれば、図15は、0次光が光源格子120及びスケール格子841の光透過部を通過できる経路が存在しない状態を示している。受光格子851は光源格子120と格子が揃うように配設されるものであるので、図15の状態においては、スケール格子841は、光源格子120及び受光格子851に対して格子が揃っていないことになる。

図15では、光源格子120の複数の光透過部121に対して左から順に符号121A及び121Bを付し、複数の不透過部122に対して左から順に符号122A〜122Cを付して区別している。また、スケール格子841の複数の光透過部842に対して左から順に符号842A〜842Eを付し、複数の不透過部843に対して左から順に符号843A〜843Fを付して区別している。さらに、受光格子851の複数の光透過部853に対して左から順に符号853A及び853Bを付し、複数の不透過部854に対して左から順に符号854A〜854Cを付して区別している。なお、図面を見やすくするため、不透過部122A〜122C、843A〜843F、及び、854A〜854Cにはハッチングを施している。

図15に示す状態では、光源格子120及びスケール格子841の光透過部を透過した光路長が等しい光線同士により、フォトダイオード852上に干渉縞の明部が生じる。例えば、121A→842B→853Aを辿る光と、121A→842C→853Aを辿る光とは光路長が等しい。したがって、受光格子851の光透過部853Aには干渉縞の明部が現れる。

このように、図15の状態では、光源格子120及びスケール格子841を透過した光が、周期Pの間隔で明部が現れる干渉縞IP8を受光格子851の位置に作ることがわかる。このとき、フォトダイオード852が出力する検出信号にはピークが生じる。

次いで、図15の状態からスケール格子841が徐々に右に移動する場合について検討する。このとき、スケール格子841の動きに伴って干渉縞も徐々にその位置を変える。干渉縞の明部の位置が受光格子851の光透過部853からずれていけば、フォトダイオード852が出力する検出信号の信号強度は徐々に下がっていく。

図16は、その後の状態における検出ヘッド870及びスケール840の断面構成を模式的に示す図である。図16は、図15と同様に、図14のXV−XV線における断面を示している。その後、図16に示すように、スケール840が周期Pだけ移動したときについて検討する。図16において光線を追跡すれば分かるように、例えば、121A→842A→853Aを辿る光(光線81と称する)と、121A→842C→853Aを辿る光(光線82と称する)とは光路長が等しい。しかし、121A→842B→853Aを辿る光は、光線81及び82とは光路長が異なる。そのため、光透過部853Aには干渉縞の明部は生じない。

このように、図16の状態では、光源格子120及びスケール格子841を透過した光によっては、干渉縞は生じないことがわかる。このとき、フォトダイオード852が出力する検出信号にはピークは生じない。

当然のことながら、スケール格子841がさらに周期Pだけ移動すると図15の状態と同様の状態に戻ることとなる。よって、この場合には、図15の状態と同様の干渉縞が生じる。

図17は、スケール格子841の移動に伴う検出信号の変化を示す図である。スケール格子841が周期Pだけ移動するごとに、検出信号にはピークが生じることが理解できる。つまり、光源格子120及び受光格子851の周期を、スケール格子841の周期Pの2倍である2Pとしても、エンコーダの検出分解能は周期Pとすることができる。これが三格子原理を用いたエンコーダの大きな利点である。

さらに、三格子原理のエンコーダでは、一定周期で(スケール格子841が周期Pだけ移動するごとに)信号強度は同じ変化を繰り返す。よって、信号周期(周期P)よりもさらに細かくスケール格子841の変位を検出するべく、信号の一周期をさらに分割する内挿(補間)を行うことができる。当然のことながら、倍の周期2Pを内挿(補間)するのに比べ、周期Pを内挿(補間)する方が、内挿によって得られる分解能を2倍にすることができる。

概要

周期Pの格子スケールの相対的な移動に応じた周期Pの半分(P/2)の検出分解能を有し、かつ、容易に作製できる光学式エンコーダを提供すること。スケール140は、周期Pで形成されたスケール格子を有する。光源格子120は、光源110とスケール140との間に配置され、周期2Pで形成された格子を有する。干渉縞検出手段150は、光源格子120及びスケール140により生成された干渉縞の明部を周期Pで検出可能に構成される。干渉縞検出手段150は、スケール140からの光により生じる第1の干渉縞と、スケール140からの光により生じる、第1の干渉縞とは周期Pの半分(P/2)だけ明部の位置が異なる第2の干渉縞と、を検出する。

目的

本発明は、上記の事情に鑑みて成されたものであり、周期Pの格子スケールの相対的な移動に応じた周期Pの半分(P/2)の検出分解能を有し、かつ、容易に作製できる光学式エンコーダを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

光を発する光源と、所定の周期で形成されたスケール格子を有するスケールと、前記光源と前記スケールとの間に配置され、前記所定の周期の倍の周期で形成された格子を有する光源格子と、前記光源格子および前記スケールにより生成された干渉縞の明部を前記所定の周期で検出可能に構成された干渉縞検出手段と、を備え、前記干渉縞検出手段は、前記スケールからの光により生じる第1の干渉縞と、前記スケールからの光により生じる、前記第1の干渉縞とは前記所定の周期の半分だけ明部の位置が異なる第2の干渉縞と、を検出する、光学式エンコーダ

請求項2

前記スケールは、前記所定の周期で形成された2以上のスケール格子を有し、前記2以上のスケール格子は並列して配置され、かつ、隣り合うスケール格子同士は互いに前記所定の周期の半分だけずれた関係にある、請求項1に記載の光学式エンコーダ。

請求項3

前記スケールは、偶数個の前記スケール格子を有する、請求項2に記載の光学式エンコーダ。

請求項4

前記2以上のスケール格子が配設される領域の、前記2以上のスケール格子が並列される方向の幅は、前記2以上のスケール格子が並列される方向の前記光源格子の幅よりも短い、請求項2又は3に記載の光学式エンコーダ。

請求項5

前記光源格子は、前記倍の周期で形成された2以上の格子を有し、前記2以上の格子は並列して配置され、かつ、隣り合う格子同士は互いに前記所定の周期だけずれた関係にある、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の光学式エンコーダ。

請求項6

前記光源格子は、偶数個の前記格子を有する、請求項5に記載の光学式エンコーダ。

請求項7

前記干渉縞検出手段は、前記第1の干渉縞と前記第2の干渉縞とが合成された干渉縞を検出する、請求項1乃至6のいずれか一項に記載の光学式エンコーダ。

請求項8

前記干渉縞検出手段は、前記所定の周期で形成された格子を有する受光格子と、前記受光格子を透過した光を検出する受光手段と、を備える、請求項1乃至7のいずれか一項に記載の光学式エンコーダ。

請求項9

光を発する光源と、所定の平面と平行なX軸方向に第1の周期で、かつ、前記所定の平面と平行であり前記X軸方向と交差するY軸方向に第2の周期で前記所定の平面上に形成された千鳥状の格子を有するスケールと、前記光源と前記スケールとの間に配置され、前記X軸方向に前記第1の周期の倍の周期で形成された格子を有するX軸方向光源格子と、前記光源と前記スケールとの間に配置され、前記Y軸方向に前記第2の周期の倍の周期で形成された格子を有するY軸方向光源格子と、前記X軸方向光源格子及び前記スケールにより生成された干渉縞の明部を前記第1の周期で検出可能に構成されたX軸方向干渉縞検出手段と、前記Y軸方向光源格子及び前記スケールにより生成された干渉縞の明部を前記第2の周期で検出可能に構成されたY軸方向干渉縞検出手段と、を備え、前記X軸方向干渉縞検出手段は、前記スケールからの光により生じる第1の干渉縞と、前記スケールからの光により生じる、前記第1の干渉縞とは前記第1の周期の半分だけ明部の位置が異なる第2の干渉縞と、を検出し、前記Y軸方向干渉縞検出手段は、前記スケールからの光により生じる第3の干渉縞と、前記スケールからの光により生じる、前記第3の干渉縞とは前記第2の周期の半分だけ明部の位置が異なる第4の干渉縞と、を検出する、光学式エンコーダ。

技術分野

0001

本発明は、光学式エンコーダに関する。

背景技術

0002

相対移動する2つの部材間相対変位を検出する装置として、種々のエンコーダが知られている。例えば、リニアエンコーダの例として、三格子原理を利用した光学式エンコーダが提案されている(特許文献1)。

0003

三格子原理を利用した光学式エンコーダについて説明する。図14は、三格子原理を利用した光学式エンコーダ800の構成例を示す斜視図である。光学式エンコーダ800は、スケール840及び検出ヘッド870を有する。検出ヘッド870は、スケール840に対して測定方向(X軸方向)に移動する。検出ヘッド870は、スケール840に対する検出ヘッド870の相対的な移動量を検出する。

0004

スケール840には、スケール格子841が設けられている。スケール格子841は光透過部842及び不透過部843を有する。光透過部842と不透過部843とは、測定方向(X軸方向)に周期Pで交互に配列されている。

0005

検出ヘッド870は、光源110、光源格子120及び干渉縞検出手段850を有する。光源格子120は光透過部121及び不透過部122を有し、光源110の直下に設けられる。光透過部121と不透過部122とは、測定方向(X軸方向)に周期2Pで交互に配列されている。

0006

干渉縞検出手段850は、受光格子851及びフォトダイオード852を有する。受光格子851は、光透過部853及び不透過部854を有し、フォトダイオード152の直上に設けられる。光透過部853と不透過部854とは、測定方向(X軸方向)に周期2Pで交互に配列されている。フォトダイオード852は、受光格子851を透過した光を電気信号に変換し、電気信号の強度変化から検出ヘッド870の移動量が検出される。

0007

光学式エンコーダ800では、光源格子120、スケール格子841及び受光格子851が三格子原理を実現する3つの格子に対応する。光学式エンコーダ800は、光源格子120とスケール840との間のギャップ(G3)と、スケール840と受光格子151との間のギャップ(G4)とが等しくなる(G3=G4)ように構成される。

0008

以下、光学式エンコーダ800でのスケール840の動きと3つの格子により生じる干渉縞の様子とを簡単に説明する。ここでは、図15図17を参照し、スケール840が測定方向(X軸方向)に半周期(P/2)移動するごとに、三格子原理により信号強度ピークが現れることを説明する。

0009

図15は、初期状態における検出ヘッド870及びスケール840の断面構成を模式的に示す図である。図15は、図14のXV−XV線における断面を示している。初期状態においては、光源格子120とスケール格子841とで格子が揃っていない状態を示している。換言すれば、図15は、0次光が光源格子120及びスケール格子841の光透過部を通過できる経路が存在しない状態を示している。受光格子851は光源格子120と格子が揃うように配設されるものであるので、図15の状態においては、スケール格子841は、光源格子120及び受光格子851に対して格子が揃っていないことになる。

0010

図15では、光源格子120の複数の光透過部121に対して左から順に符号121A及び121Bを付し、複数の不透過部122に対して左から順に符号122A〜122Cを付して区別している。また、スケール格子841の複数の光透過部842に対して左から順に符号842A〜842Eを付し、複数の不透過部843に対して左から順に符号843A〜843Fを付して区別している。さらに、受光格子851の複数の光透過部853に対して左から順に符号853A及び853Bを付し、複数の不透過部854に対して左から順に符号854A〜854Cを付して区別している。なお、図面を見やすくするため、不透過部122A〜122C、843A〜843F、及び、854A〜854Cにはハッチングを施している。

0011

図15に示す状態では、光源格子120及びスケール格子841の光透過部を透過した光路長が等しい光線同士により、フォトダイオード852上に干渉縞の明部が生じる。例えば、121A→842B→853Aを辿る光と、121A→842C→853Aを辿る光とは光路長が等しい。したがって、受光格子851の光透過部853Aには干渉縞の明部が現れる。

0012

このように、図15の状態では、光源格子120及びスケール格子841を透過した光が、周期Pの間隔で明部が現れる干渉縞IP8を受光格子851の位置に作ることがわかる。このとき、フォトダイオード852が出力する検出信号にはピークが生じる。

0013

次いで、図15の状態からスケール格子841が徐々に右に移動する場合について検討する。このとき、スケール格子841の動きに伴って干渉縞も徐々にその位置を変える。干渉縞の明部の位置が受光格子851の光透過部853からずれていけば、フォトダイオード852が出力する検出信号の信号強度は徐々に下がっていく。

0014

図16は、その後の状態における検出ヘッド870及びスケール840の断面構成を模式的に示す図である。図16は、図15と同様に、図14のXV−XV線における断面を示している。その後、図16に示すように、スケール840が周期Pだけ移動したときについて検討する。図16において光線を追跡すれば分かるように、例えば、121A→842A→853Aを辿る光(光線81と称する)と、121A→842C→853Aを辿る光(光線82と称する)とは光路長が等しい。しかし、121A→842B→853Aを辿る光は、光線81及び82とは光路長が異なる。そのため、光透過部853Aには干渉縞の明部は生じない。

0015

このように、図16の状態では、光源格子120及びスケール格子841を透過した光によっては、干渉縞は生じないことがわかる。このとき、フォトダイオード852が出力する検出信号にはピークは生じない。

0016

当然のことながら、スケール格子841がさらに周期Pだけ移動すると図15の状態と同様の状態に戻ることとなる。よって、この場合には、図15の状態と同様の干渉縞が生じる。

0017

図17は、スケール格子841の移動に伴う検出信号の変化を示す図である。スケール格子841が周期Pだけ移動するごとに、検出信号にはピークが生じることが理解できる。つまり、光源格子120及び受光格子851の周期を、スケール格子841の周期Pの2倍である2Pとしても、エンコーダの検出分解能は周期Pとすることができる。これが三格子原理を用いたエンコーダの大きな利点である。

0018

さらに、三格子原理のエンコーダでは、一定周期で(スケール格子841が周期Pだけ移動するごとに)信号強度は同じ変化を繰り返す。よって、信号周期(周期P)よりもさらに細かくスケール格子841の変位を検出するべく、信号の一周期をさらに分割する内挿(補間)を行うことができる。当然のことながら、倍の周期2Pを内挿(補間)するのに比べ、周期Pを内挿(補間)する方が、内挿によって得られる分解能を2倍にすることができる。

先行技術

0019

特開昭63−33604号公報

発明が解決しようとする課題

0020

三格子原理によって、スケール格子841が周期Pだけ移動するごとに検出信号にピークが生じることは上記の通りである。一般に、周期Pの光源格子、スケール格子及び受光格子を用いた三格子原理に基づくエンコーダは、スケール格子が周期P/2だけ移動するごとにピークが生じる検出信号を得ることができる。これに対し、上記の光学式エンコーダ800は、光源格子及び受光格子の周期を倍の2Pとすることで、必要な加工精度緩和されるので作製が容易となる。しかし、その分、検出分解能がP/2からPに低下してしまうので、検出信号の内挿を行ったとしても検出精度が低下してしまう。

0021

本発明は、上記の事情に鑑みて成されたものであり、周期Pの格子スケールの相対的な移動に応じた周期Pの半分(P/2)の検出分解能を有し、かつ、容易に作製できる光学式エンコーダを提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0022

本発明の第1の態様である光学式エンコーダは、
光を発する光源と、
所定の周期で形成されたスケール格子を有するスケールと、
前記光源と前記スケールとの間に配置され、前記所定の周期の倍の周期で形成された格子を有する光源格子と、
前記光源格子および前記スケールにより生成された干渉縞の明部を前記所定の周期で検出可能に構成された干渉縞検出手段と、を備え、
前記干渉縞検出手段は、
前記スケールからの光により生じる第1の干渉縞と、前記スケールからの光により生じる、前記第1の干渉縞とは前記所定の周期の半分だけ明部の位置が異なる第2の干渉縞と、を検出する、ものである。

0023

本発明の第2の態様である光学式エンコーダは、上記の光学式エンコーダであって、
前記スケールは、前記所定の周期で形成された2以上のスケール格子を有し、
前記2以上のスケール格子は並列して配置され、かつ、隣り合うスケール格子同士は互いに前記所定の周期の半分だけずれた関係にある、ものである。

0024

本発明の第3の態様である光学式エンコーダは、上記の光学式エンコーダであって、
前記スケールは、偶数個の前記スケール格子を有する、ものである。

0025

本発明の第4の態様である光学式エンコーダは、上記の光学式エンコーダであって、
前記2以上のスケール格子が配設される領域の、前記2以上のスケール格子が並列される方向の幅は、前記2以上のスケール格子が並列される方向の前記光源格子の幅よりも短い、ものである。

0026

本発明の第5の態様である光学式エンコーダは、上記の光学式エンコーダであって、
前記光源格子は、前記倍の周期で形成された2以上の格子を有し、
前記2以上の格子は並列して配置され、かつ、隣り合う格子同士は互いに前記所定の周期だけずれた関係にある、ものである。

0027

本発明の第6の態様である光学式エンコーダは、上記の光学式エンコーダであって、
前記光源格子は、偶数個の前記格子を有する、ものである。

0028

本発明の第7の態様である光学式エンコーダは、上記の光学式エンコーダであって、
前記干渉縞検出手段は、前記第1の干渉縞と前記第2の干渉縞とが合成された干渉縞を検出する、ものである。

0029

本発明の第8の態様である光学式エンコーダは、上記の光学式エンコーダであって、
前記干渉縞検出手段は、前記所定の周期で形成された格子を有する受光格子と、
前記受光格子を透過した光を検出する受光手段と、を備える、ものである。

0030

本発明の第9の態様である光学式エンコーダは、
光を発する光源と、
所定の平面と平行なX軸方向に第1の周期で、かつ、前記所定の平面と平行であり前記X軸方向と交差するY軸方向に第2の周期で前記所定の平面上に形成された千鳥状の格子を有するスケールと、
前記光源と前記スケールとの間に配置され、前記X軸方向に前記第1の周期の倍の周期で形成された格子を有するX軸方向光源格子と、
前記光源と前記スケールとの間に配置され、前記Y軸方向に前記第2の周期の倍の周期で形成された格子を有するY軸方向光源格子と、
前記X軸方向光源格子及び前記スケールにより生成された干渉縞の明部を前記第1の周期で検出可能に構成されたX軸方向干渉縞検出手段と、
前記Y軸方向光源格子及び前記スケールにより生成された干渉縞の明部を前記第2の周期で検出可能に構成されたY軸方向干渉縞検出手段と、を備え、
前記X軸方向干渉縞検出手段は、前記スケールからの光により生じる第1の干渉縞と、前記スケールからの光により生じる、前記第1の干渉縞とは前記第1の周期の半分だけ明部の位置が異なる第2の干渉縞と、を検出し、
前記Y軸方向干渉縞検出手段は、前記スケールからの光により生じる第3の干渉縞と、前記スケールからの光により生じる、前記第3の干渉縞とは前記第2の周期の半分だけ明部の位置が異なる第4の干渉縞と、を検出する、ものである。

発明の効果

0031

本発明によれば、周期Pの格子スケールの相対的な移動に応じた周期Pの半分(P/2)の検出分解能を有し、かつ、容易に作製できる光学式エンコーダを提供することができる。

0032

本発明の上述及び他の目的、特徴、及び長所は以下の詳細な説明及び付随する図面からより完全に理解されるだろう。付随する図面は図解のためだけに示されたものであり、本発明を制限するためのものではない。

図面の簡単な説明

0033

実施の形態1にかかる光学式エンコーダの構成を模式的に示す斜視図である。
実施の形態1にかかるスケールの構成を模式的に示す上面図である。
光源格子、スケール及び受光格子が第1の位置関係にある場合の検出ヘッド及びスケールの断面構成を模式的に示す図である。
光源格子、スケール及び受光格子が第2の位置関係にある場合の検出ヘッド及びスケールの断面構成を模式的に示す図である。
実施の形態2にかかる光学式エンコーダの構成を模式的に示す斜視図である。
実施の形態2にかかるスケールの構成を模式的に示す平面図である。
実施の形態3にかかる光学式エンコーダの構成を模式的に示す斜視図である。
実施の形態4にかかる光学式エンコーダの構成を模式的に示す斜視図である。
実施の形態4にかかる光源格子の構成を模式的に示す上面図である。
実施の形態5にかかる光学式エンコーダの構成を模式的に示す斜視図である。
実施の形態5にかかるスケールの構成を模式的に示す上面図である。
実施の形態5にかかるX軸方向光源格子及びY軸方向光源格子の構成を模式的に示す斜視図である。
実施の形態5にかかる干渉縞検出手段の構成を模式的に示す斜視図である。
三格子原理を利用した光学式エンコーダの構成例を示す斜視図である。
初期状態における検出ヘッド及びスケールの断面構成を模式的に示す図である。
その後の状態における検出ヘッド及びスケールの断面構成を模式的に示す図である。
スケール格子の移動に伴う検出信号の変化を示す図である。

実施例

0034

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。各図面においては、同一要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略される。

0035

実施の形態1
実施の形態1にかかる光学式エンコーダ100について説明する。図1は、実施の形態1にかかる光学式エンコーダ100の構成を模式的に示す斜視図である。光学式エンコーダ100は、スケール140及び検出ヘッド170を有する。光学式エンコーダ100は、検出ヘッド170がスケール140に対して測定方向(図1のX軸方向)に移動し、スケール140に対する検出ヘッド170の相対的な測定方向(X軸方向)の移動量を検出する。なお、図1及び以降の図では、図面を見やすくするため、後述する不透過部のそれぞれにはハッチングを施している。

0036

スケール140について詳細に説明する。図2は、実施の形態1にかかるスケール140の構成を模式的に示す上面図である。スケール140は、第1のスケール格子141及び第2のスケール格子142が図示しないガラス基板上に設けられている。第1のスケール格子141を構成する複数の単位格子は、測定方向であるX軸方向に配列されている。同様に、第2のスケール格子142を構成する複数の単位格子は、測定方向(X軸方向)に配列されている。また、第1のスケール格子141と第2のスケール格子142とは、スケール140上にY軸方向に並ぶように配設されている。

0037

ここで、Y軸方向とは、測定方向(X軸方向)と直交(ないしは交差)し、かつ、スケール140の第1のスケール格子141及び第2のスケール格子142が設けられた面と平行な方向である。すなわち、スケール140の第1のスケール格子141及び第2のスケール格子142が設けられる面は、X−Y平面となる。

0038

第1のスケール格子141は、光透過部143及び不透過部144を有する。光透過部143と不透過部144とは、周期Pで測定方向(X軸方向)に交互に配列されている。第2のスケール格子142は、光透過部145及び不透過部146を有する。光透過部145と不透過部146とは、周期Pで測定方向(X軸方向)に交互に配列されている。なお、第1のスケール格子141と第2のスケール格子142とは、測定方向(X軸方向)に半周期(P/2)だけずれた状態で配設される。

0039

検出ヘッド170について詳細に説明する。検出ヘッド170は、光源110、光源格子120及び干渉縞検出手段150を有する。

0040

光源110は、光を発する。光源110としては、例えば、LED(Light Emitting Diode:発光ダイオード)、レーザーダイオードSLED(Self-Scanning Light Emitting Device:自己走査型発光素子)、OLED(Organic light-emitting diode:有機発光ダイオード)を用いてもよい。

0041

光源格子120は光透過部121及び不透過部122を有し、光源110の直下に設けられる。光透過部121と不透過部122とは、図示しないガラス基板上に、測定方向(X軸方向)に、スケール140の倍の周期(倍周期と称する)2Pで交互に配列されている。

0042

なお、以下で周期という場合には、スケール140の周期であるPのことを指すものとする。よって、光源格子120の周期については倍周期2Pと称することで、スケール140の周期Pと区別して取り扱う。

0043

光源格子120の短手方向(Y軸方向)の幅L2は、第1のスケール格子141及び第2のスケール格子142が配設されている領域の短手方向の幅L4よりも長い。これにより、第1のスケール格子141及び第2のスケール格子142には、光源格子120を透過した光が均一に照射される。

0044

干渉縞検出手段150は、光源格子120及びスケール140により生成された干渉縞を検出する。干渉縞検出手段150は、受光格子151及びフォトダイオード152を有する。受光格子151は、光透過部153及び不透過部154を有し、フォトダイオード152の直上に設けられる。光透過部153と不透過部154とは、測定方向(X軸方向)に周期Pで交互に配列されている。フォトダイオード152は、受光格子151を透過した光を電気信号である検出信号に変換する。検出信号の強度は、受光した光の強度に応じて変化する。その結果、電気信号の強度変化から、検出ヘッド170の移動量が検出される。

0045

光学式エンコーダ100では、光源格子120、スケール140の第1のスケール格子141及び第2のスケール格子142のそれぞれ、及び、受光格子151が三格子原理を実現する3つの格子に対応する。本構成においては、上述のように、光源格子120の格子周期が倍周期2Pとなるように構成され、第1のスケール格子141、第2のスケール格子142及び受光格子151の格子周期が周期Pとなるように構成される。また、光学式エンコーダ100は、光源格子120とスケール140との間のギャップ(G1)と、スケール140と受光格子151との間のギャップ(G2)とが等しくなる(G1=G2)ように構成される。

0046

フォトダイオード152は、受光格子151の光透過部153に生じる干渉縞を検出し、干渉縞の強度に応じた検出信号を出力する。なお、干渉縞検出手段150は、受光格子151とフォトダイオード152とに代えて、フォトダイオードが複数配列されたフォトダイオードアレイを用いてもよい。本実施の形態では、干渉縞検出手段150は、正弦波単相信号を出力するように構成される。なお、受光格子151の位相をπ/4ずつずらして4組配置することにより、位相をπ/4ずつずらしたA+相、B+相、A−相、B−相の信号を出力するように干渉縞検出手段150を構成してもよい。

0047

次に、光学式エンコーダ100の動作について説明する。光源110から発せられた光は、光源格子120を透過する際に回折されて、コヒーレント光となる。光源格子120には多数の光透過部121が設けられているので、光源格子120を透過した光は、Y軸方向に延在する線状光源が測定方向(X軸方向)に多数配列された光源として振る舞う。光源格子120を透過した光は、スケール140の第1のスケール格子141及び第2のスケール格子142により回折される。第1のスケール格子141及び第2のスケール格子142で回折された光は、受光格子151に到達し、干渉縞を生じる。

0048

図3は、光源格子120、スケール140及び受光格子151が第1の位置関係にある場合の検出ヘッド170及びスケール140の断面構成を模式的に示す図である。図3は、図1のIII−III線における断面を示している。図3では、図面を見やすくするため、第1のスケール格子141の光透過部143にはハッチングを施しているが、第2のスケール格子142の光透過部145は白抜きの四角形として表示している。

0049

図3に示す第1の位置関係とは、光源格子120、第1のスケール格子141及び受光格子151の光透過部が揃った状態、すなわち、光源格子を通過した0次光が第1のスケール格子141の光透過部143を通過できる経路が存在する状態にあることを意味する。換言すれば、第1の位置関係とは、光源格子120の光透過部121、第1のスケール格子141の光透過部143、及び、受光格子151の光透過部153のX方向の中心がY方向に整列している状態にあることを意味する。

0050

第1の位置関係においてスケール140の第1のスケール格子141を通過した光が形成する干渉縞について説明する。図3に示すように、光源格子120を透過した光は、第1のスケール格子141により回折される。第1の位置関係においては、光源格子120で回折された後に光路P11を辿った光は、第1のスケール格子141で再度回折され、光路P12を辿って受光格子151に到達する。また、光源格子120を通過した後に光路P13を辿った0次光は、第1のスケール格子141で回折され、光路P14を辿って受光格子151に到達する。

0051

本構成では、光路P11と光路P14とは等しい光路長となり、かつ、光路P12と光路P13とは等しい光路長となる。その結果、受光格子151の光透過部153に到達した光は干渉して強めあい、干渉縞が生じる。第1の位置関係において第1のスケール格子141で回折された光により生じた干渉縞を干渉縞IP1と称する(第1の干渉縞)。フォトダイオード152が受光する干渉縞IP1の明部の間隔は、倍周期2Pとなる。

0052

続いて、第1の位置関係においてスケール140の第2のスケール格子142を通過した光が形成する干渉縞について説明する。上述の通り、第2のスケール格子142は、第1のスケール格子141に対して測定方向(X軸方向)に半周期(P/2)だけずれて配列されている。したがって、第1の位置関係においては、光源格子120で回折された後に光路P21を辿った光は、第2のスケール格子142で再度回折され、光路P22を辿って受光格子151に到達する。また、光源格子120で回折された後に光路P23を辿った光は、第2のスケール格子142で再度回折され、光路P24を辿って受光格子151に到達する。

0053

本構成では、光路P21〜P24は等しい光路長となる。その結果、受光格子151の光透過部153に到達した光は干渉して強めあい、干渉縞が生じる。以下、第1の位置関係において第2のスケール格子142で回折された光により生じた干渉縞を干渉縞IP2と称する(第2の干渉縞)。フォトダイオード152が受光する干渉縞IP2の明部の間隔は、倍周期2Pとなる。

0054

第1のスケール格子141と第2のスケール格子142とは測定方向(X軸方向)に半周期(P/2)だけずれて配設されるので、干渉縞IP1と干渉縞IP2とは、同様に測定方向(X軸方向)に半周期(P/2)だけずれている。よって、干渉縞IP1と干渉縞IP2とを合成すると、フォトダイオード152上には、周期Pごとに干渉縞の明部が生じることとなる。

0055

なお、干渉縞IP1を生じさせた光と干渉縞IP2を生じさせた光とでは、図3に示す通り光路が異なる。よって、干渉縞IP1と干渉縞IP2とは、位相が同じであっても強度が異なるおそれが有る。

0056

次に、検出ヘッド170がスケール140に対して測定方向(X軸方向)に半周期(P/2)だけ変位した場合(第2の位置関係と称する)について説明する。図4は、光源格子120、スケール140及び受光格子151が第2の位置関係にある場合の検出ヘッド170及びスケール140の断面構成を模式的に示す図である。図4は、図3と同様に、図1のIII−III線における断面を示している。図4では、図面を見やすくするため、図3と同様に、第1のスケール格子141の光透過部143にハッチングを施しているが、第2のスケール格子142の光透過部145は白抜きの四角形として表示している。

0057

この場合、第2の位置関係とは、光源格子120及び受光格子151の光透過部が第1のスケール格子141の光透過部143に対して測定方向(X方向)に半周期(P/2)ずれている状態、すなわち、光源格子を通過した0次光が第1のスケール格子141の不透過部144で遮られる状態にあることを意味する。換言すれば、第2の位置関係とは、光源格子120の光透過部121、第1のスケール格子141の不透過部144、及び、受光格子151の光透過部153のX方向の中心がY方向に整列している状態にあることを意味する。

0058

第2の位置関係においてスケール140の第1のスケール格子141を通過した光が形成する干渉縞について説明する。図4に示すように、光源格子120を透過した光は、第1のスケール格子141により回折される。第2の位置関係においては、光源格子120で回折された後に光路P31を辿った光は、第1のスケール格子141で再度回折され、光路P32を辿って受光格子151に到達する。また、光源格子120で回折された後に光路P33を辿った光は、第1のスケール格子141で再度回折され、光路P34を辿って受光格子151に到達する。

0059

本構成では、光路P31〜P34は等しい光路長となる。その結果、受光格子151の光透過部153に到達した光は干渉して強めあい、干渉縞が生じる。第2の位置関係において第1のスケール格子141で回折された光により生じた干渉縞を干渉縞IP3と称する(第2の干渉縞)。フォトダイオード152が受光する干渉縞IP3の明部の間隔は、倍周期2Pとなる。

0060

続いて、第2の位置関係においてスケール140の第2のスケール格子142を通過した光が形成する干渉縞について説明する。上述の通り、第2のスケール格子142は、第1のスケール格子141に対して測定方向(X軸方向)に半周期(P/2)だけずれて配列されている。したがって、第2の位置関係においては、光源格子120で回折された後に光路P41を辿った光は、第2のスケール格子142で再度回折され、光路P42を辿って受光格子151に到達する。また、光源格子120を通過した後に光路P43を辿った0次光は、第2のスケール格子142で回折され、光路P44を辿って受光格子151に到達する。

0061

本構成では、光路P41と光路P44とは等しい光路長となり、かつ、光路P42と光路P43とは等しい光路長となる。その結果、受光格子151の光透過部153に到達した光は干渉して強めあい、干渉縞が生じる。第2の位置関係において第2のスケール格子142で回折された光により生じた干渉縞を干渉縞IP4と称する(第1の干渉縞)。フォトダイオード152が受光する干渉縞IP4の明部の間隔は、倍周期2Pとなる。

0062

第1のスケール格子141と第2のスケール格子142とは測定方向(X軸方向)に半周期(P/2)だけずれて配設されるので、干渉縞IP3と干渉縞IP4とは、同様に測定方向(X軸方向)に半周期(P/2)だけずれている。よって、干渉縞IP3と干渉縞IP4とを合成すると、フォトダイオード152上には、周期Pごとに干渉縞の明部が生じることとなる。

0063

なお、干渉縞IP3を生じさせた光と干渉縞IP4を生じさせた光とでは、図4に示す通り光路が異なる。よって、干渉縞IP3と干渉縞IP4とは、位相が同じであっても強度が異なるおそれが有る。

0064

しかし、図3及び4を参照すると、第1の位置関係における光路P11〜P14は、第2の位置関係における光路P41〜P44とそれぞれ等しいことがわかる。すなわち、干渉縞IP1と干渉縞IP4とは、同様の光路を辿った光が干渉することで生じたもの(すなわち、上記の第1の干渉縞)である。したがって、干渉縞IP1と干渉縞IP4の明部の強度は同様であることが理解できる。

0065

また、第1の位置関係における光路P21〜P24は、第2の位置関係における光路P31〜P34とそれぞれ等しいことがわかる。すなわち、干渉縞IP2と干渉縞IP3とは、同様の光路を辿った光が干渉することで生じたもの(すなわち、上記の第2の干渉縞)である。したがって、干渉縞IP2と干渉縞IP3の明部の強度は同様であることが理解できる。

0066

上より、第1の位置関係における干渉縞IP1と干渉縞IP4の明部の強度の総和は、第2の位置関係における干渉縞IP2と干渉縞IP3の明部の強度の総和と等しくなることが理解できる。つまり、検出ヘッド170がスケール140に対して測定方向(X軸方向)に半周期(P/2)だけ変位するごとにフォトダイオード152が検出する光の強度は、均一となる。その結果、フォトダイオード152が出力する検出信号に半周期(P/2)ごとに現れるピークの強度を均一化することができる。

0067

本構成によれば、光源格子の周期を倍周期2Pとしても、検出信号の分解能を半周期(P/2)にすることができる。また、光源格子の周期をPとする場合と比較して、容易に作製できるエンコーダを実現できることが理解できる。

0068

実施の形態2
実施の形態2にかかる光学式エンコーダ200について説明する。図5は、実施の形態2にかかる光学式エンコーダ200の構成を模式的に示す斜視図である。光学式エンコーダ200は、実施の形態1にかかる光学式エンコーダ100のスケール140をスケール240に置換した構成を有する。

0069

スケール240について説明する。図6は、実施の形態2にかかるスケール240の構成を模式的に示す平面図である。光学式エンコーダ200では、スケール240は、図示しないガラス基板上に、第1のスケール格子241、第2のスケール格子242、第3のスケール格子243、第4のスケール格子244、第5のスケール格子245及び第6のスケール格子246が、この順にY軸方向に並んで配設されている。

0070

第1のスケール格子241、第3のスケール格子243及び第5のスケール格子245は、光透過部及び不透過部のY軸方向の長さが異なることを除き、実施の形態1にかかる光学式エンコーダ100の第1のスケール格子141と同様の構成を有する。第2のスケール格子242、第4のスケール格子244及び第6のスケール格子246は、光透過部及び不透過部のY軸方向の長さが異なることを除き、実施の形態1にかかる光学式エンコーダ100の第2のスケール格子142と同様の構成を有する。

0071

図6では、第1のスケール格子241の光透過部241A及び不透過部241Bは、それぞれ第1のスケール格子141の光透過部143及び不透過部144に対応する。第2のスケール格子242の光透過部242A及び不透過部242Bは、それぞれ第2のスケール格子142の光透過部145及び不透過部146に対応する。第3のスケール格子243の光透過部243A及び不透過部243Bは、それぞれ第1のスケール格子141の光透過部143及び不透過部144に対応する。第4のスケール格子244の光透過部244A及び不透過部244Bは、それぞれ第2のスケール格子142の光透過部145及び不透過部146に対応する。第5のスケール格子245の光透過部245A及び不透過部245Bは、それぞれ第1のスケール格子141の光透過部143及び不透過部144に対応する。第6のスケール格子246の光透過部246A及び不透過部246Bは、それぞれ第2のスケール格子142の光透過部145及び不透過部146に対応する。

0072

すなわち、スケール240は、実質的に実施の形態1にかかるスケール140の第1のスケール格子141及び第2のスケール格子142からなる対が、Y軸方向に3つ並んで配設された構成を有することが理解できる。図6では、第1のスケール格子241(第1のスケール格子141に対応)と第2のスケール格子242(第2のスケール格子242に対応)とからなる対を、対240Aとしている。第3のスケール格子243(第1のスケール格子141に対応)と第4のスケール格子244(第2のスケール格子242に対応)とからなる対を、対240Bとしている。第5のスケール格子245(第1のスケール格子141に対応)と第6のスケール格子246(第2のスケール格子242に対応)とからなる対を、対240Cとしている。光学式エンコーダ200のその他の構成は、光学式エンコーダ100と同様であるので、説明を省略する。

0073

光学式エンコーダ100と比較した場合の光学式エンコーダ200の利点について説明する。本構成では、3つの対240A、240B及び240CがY軸方向に繰り返して配列されるので、光源格子120とスケール240とがY軸方向にずれた場合でも、第1のスケール格子241、第3のスケール格子243及び第5のスケール格子245に入射する光と、第2のスケール格子242、第4のスケール格子244及び第6のスケール格子246に入射する光との強度比の変化を小さくできる。これにより、フォトダイオード152に入射する第1の干渉縞と第2の干渉縞の強度比の変化を小さくできる。したがって、光源格子120とスケール240とがY軸方向にずれた場合に、フォトダイオード152から出力される検出信号の内挿誤差を小さくすることができる。

0074

なお、本実施の形態では、スケール240は、Y軸方向に並んで配設される対を3つとしたが、これは例示に過ぎない。すなわち、Y軸方向に並んで配設される対の数は、2又は4以上としてもよい。また、上述の対は2つのスケール格子で構成されるので、スケール格子の総数偶数であることが望ましい。

0075

実施の形態3
実施の形態3にかかる光学式エンコーダ300について説明する。図7は、実施の形態3にかかる光学式エンコーダ300の構成を模式的に示す斜視図である。光学式エンコーダ300は、実施の形態1にかかる光学式エンコーダ100のスケール140及び検出ヘッド170を、それぞれスケール340及び検出ヘッド370に置換した構成を有する。

0076

スケール340は、スケール格子341を有する。スケール格子341は、光透過部及び不透過部のY軸方向の長さが異なることを除き、実施の形態1にかかるスケール140の第1のスケール格子141と同様の構成を有する。スケール格子341の光透過部342及び不透過部343は、それぞれ第1のスケール格子141の光透過部143及び不透過部144に対応する。

0077

検出ヘッド370は、実施の形態1にかかる検出ヘッド170の光源格子120を光源格子320に置換した構成を有する。光源格子320は、第1の格子321及び第2の格子322が図示しないガラス基板上に設けられている。第1の格子321を構成する複数の単位格子は、測定方向(X軸方向)に交互に配列されている。同様に、第2の格子322を構成する複数の単位格子は、測定方向(X軸方向)に交互に配列されている。また、第1の格子321と第2の格子322とは、光源格子320上にY軸方向に並ぶように配設されている。

0078

第1の格子321は、光透過部323及び不透過部324を有する。光透過部323と不透過部324とは、倍周期2Pで測定方向(X軸方向)に交互に配列されている。第2の格子322は、光透過部325及び不透過部326を有する。光透過部325と不透過部326とは、倍周期2Pで測定方向(X軸方向)に交互に配列されている。なお、第1の格子321と第2の格子322とは、測定方向(X軸方向)に周期Pだけずれた状態で配設される。

0079

つまり、光学式エンコーダ100のスケール140及び光学式エンコーダ200のスケール240において2つのスケール格子を測定方向に半周期だけずらして配設したことで実現されるのと同様の光学的振る舞いを、光学式エンコーダ300では、上記の光源格子320にて実現することができる。

0080

以上より、本構成によれば、実施の形態1にかかる光学式エンコーダ100と同様に、検出ヘッド370がスケール340に対して測定方向(X軸方向)に半周期(P/2)だけ変位するごとにフォトダイオード152が検出する光の強度は、均一となる。その結果、フォトダイオード152が出力する検出信号に半周期(P/2)ごとに現れるピークの強度を均一化することができる。

0081

また、本実施の形態においても、実施の形態2と同様に、光源格子に、実質的に第1の格子321及び第2の格子322からなる対が、Y軸方向に2つ以上並んで配設されてもよい。この場合、実施の形態2と同様に、光源格子320とスケール340とがY軸方向にずれた場合に、フォトダイオード152から出力される検出信号の内挿誤差を小さくすることができる。なお、上述の対は2つの格子で構成されるので、光源格子に設けられる格子の総数は偶数であることが望ましい。

0082

実施の形態4
実施の形態4にかかる光学式エンコーダ400について説明する。図8は、実施の形態4にかかる光学式エンコーダ400の構成を模式的に示す斜視図である。光学式エンコーダ400は、実施の形態2にかかる光学式エンコーダ200の検出ヘッド170を、検出ヘッド470に置換した構成を有する。

0083

検出ヘッド470は、検出ヘッド170の光源格子120を光源格子420に置換した構成を有する。図9は、実施の形態4にかかる光源格子420の構成を模式的に示す上面図である。光源格子420は、図示しないガラス基板上に、第1の格子421、第2の格子422、第3の格子423、第4の格子424、第5の格子425及び第6の格子426が、この順にY軸方向に並んで配設されている。

0084

第1の格子421、第3の格子423及び第5の格子425は、光透過部及び不透過部のY軸方向の長さが異なることを除き、光学式エンコーダ300の第1の格子321と同様の構成を有する。第2の格子422、第4の格子424及び第6の格子426は、光透過部及び不透過部のY軸方向の長さが異なることを除き、光学式エンコーダ300の第2の格子322と同様の構成を有する。

0085

図9では、第1の格子421の光透過部421A及び不透過部421Bは、それぞれ第1の格子321の光透過部323及び不透過部324に対応する。第2の格子422の光透過部422A及び不透過部422Bは、それぞれ第2の格子322の光透過部325及び不透過部326に対応する。第3の格子423の光透過部423A及び不透過部423Bは、それぞれ第1の格子321の光透過部323及び不透過部324に対応する。第4の格子424の光透過部424A及び不透過部424Bは、それぞれ第2の格子322の光透過部325及び不透過部326に対応する。第5の格子425の光透過部425A及び不透過部425Bは、それぞれ第1の格子321の光透過部323及び不透過部324に対応する。第6の格子426の光透過部426A及び不透過部426Bは、それぞれ第2の格子322の光透過部325及び不透過部326に対応する。

0086

すなわち、光源格子420は、実質的に実施の形態3にかかる第1の格子321及び第2の格子322からなる対が、Y軸方向に3つ並んで配設された構成を有することが理解できる。図8及び9では、第1の格子421(第1の格子321に対応)と第2の格子422(第2の格子322に対応)とからなる対を、対420Aとしている。第3の格子423(第1の格子321に対応)と第4の格子424(第2の格子322に対応)とからなる対を、対420Bとしている。第5の格子425(第1の格子321に対応)と第6の格子426(第2の格子322に対応)とからなる対を、対420Cとしている。光学式エンコーダ400のその他の構成は、光学式エンコーダ200と同様であるので、説明を省略する。

0087

以上より、本構成によれば、上述の実施の形態にかかる光学式エンコーダと同様に、検出ヘッド470がスケール240に対して測定方向(X軸方向)に半周期(P/2)だけ変位するごとにフォトダイオード152が検出する光の強度は、均一となる。その結果、フォトダイオード152が出力する検出信号に半周期(P/2)ごとに現れるピークの強度を均一化することができる。

0088

また、本構成によれば、実施の形態2において説明したように、スケール240によって、光源格子420とスケール240とがY軸方向にずれた場合に、フォトダイオード152から出力される検出信号の内挿誤差を小さくすることができる。

0089

更に、本構成では、光源格子420に3つの対420A、420B及び420CがY軸方向に繰り返して配列されるので、光源格子420とスケール240とがY軸方向にずれた場合にフォトダイオード152から出力される検出信号の内挿誤差を、更に小さくすることができる。

0090

なお、光源格子には、光学式エンコーダ300と同様に、実質的に第1の格子321及び第2の格子322からなる対が1つだけ光源格子に配設されてもよい。また、光源格子には、実質的に第1の格子321及び第2の格子322からなる対が、Y軸方向に2つ又は4以上並んで配設されてもよい。なお、上述の対は2つの格子で構成されるので、光源格子に設けられる格子の総数は偶数であることが望ましい。

0091

実施の形態5
実施の形態5にかかる光学式エンコーダ500について説明する。図10は、実施の形態5にかかる光学式エンコーダ500の構成を模式的に示す斜視図である。光学式エンコーダ500は、X軸方向およびY軸方向の変位を検出できる光学式エンコーダとして構成される。X軸方向の変位検出は、実施の形態1にかかる光学式エンコーダ100と同様の原理で行われる。すなわち、X軸方向の変位検出においては、上述の第1の干渉縞及び第2の干渉縞が検出される。Y軸方向の変位検出は、実施の形態1にかかる光学式エンコーダ100を90°回転させた形態で行われる。すなわち、Y軸方向の変位検出においては、光学式エンコーダ100の第1の干渉縞に対応する第3の干渉縞と、第1の干渉縞に対応する第4の干渉縞と、が検出される。光学式エンコーダ500は、スケール540及び検出ヘッド570を有する。

0092

スケール540について詳細に説明する。図11は、実施の形態5にかかるスケール540の構成を模式的に示す上面図である。スケール540は、図示しないガラス基板上に格子543が形成されている。格子543は、矩形の不透過部542が、2次元的な広がりを持って千鳥状に配置されている。不透過部542が配置されない部分が、光が透過する光透過部541となる。格子543のX軸方向の周期はP(第1の周期とも称する)であり、Y軸方向の周期はQ(第2の周期とも称する)である。なお、格子543は、X軸方向に光透過部541と不透過部542とが交互に配列されたスケール格子が、互いに1/2周期ずらしてY軸方向に並んで配置されているとも考えられる。

0093

検出ヘッド570について説明する。検出ヘッド570は、光源110、X軸方向光源格子521、Y軸方向光源格子522及び干渉縞検出手段550を有する。X軸方向光源格子521及びY軸方向光源格子522は、同一平面(X−Y平面)上に配置される。図示しないが、X軸方向光源格子521及びY軸方向光源格子522とスケール540との間のギャップと、スケール540と干渉縞検出手段550とのギャップとは、等しくなるように配置される。

0094

図12は、実施の形態5にかかるX軸方向光源格子521およびY軸方向光源格子522の構成を模式的に示す斜視図である。X軸方向光源格子521は、光透過部523と不透過部524とがX軸方向に倍周期2Pで交互に配列される。Y軸方向光源格子522は、光透過部525と不透過部526とがY軸方向に倍周期2Qで交互に配列される。

0095

図13は、実施の形態5にかかる干渉縞検出手段550の構成を模式的に示す斜視図である。干渉縞検出手段550は、X軸方向の干渉縞を検出するX軸方向干渉縞検出手段551、及び、Y軸方向の干渉縞を検出するY軸方向干渉縞検出手段552を有する。つまり、X軸方向干渉縞検出手段551はX軸方向の移動量を検出し、Y軸方向干渉縞検出手段552はY軸方向の移動量を検出する。

0096

X軸方向干渉縞検出手段551は、X軸方向光源格子521及びスケール540により生成された干渉縞(上記の第1及び第2の干渉縞)を検出する。X軸方向干渉縞検出手段551は、X軸方向受光格子553及び第1のフォトダイオード554により構成される。X軸方向受光格子553は、光透過部561と不透過部562とがX軸方向に周期Pで配列されている。

0097

Y軸方向干渉縞検出手段552は、Y軸方向光源格子522及びスケール540により生成された干渉縞(第3及び第4の干渉縞)を検出する。Y軸方向干渉縞検出手段552は、Y軸方向受光格子555及び第2のフォトダイオード556により構成される。Y軸方向受光格子555は、光透過部563と不透過部564とがY軸方向に周期Qで配列されている。

0098

スケール540、X軸方向受光格子553及びY軸方向受光格子555のX軸方向及びY軸方向の格子周期は等しく(P=Q)てもよい。すなわち、X軸方向光源格子521及びY軸方向光源格子522のX軸方向及びY軸方向の格子周期は等しく(2P=2Q)てもよい。P=Qのときは、格子543は正方形の光透過部541と不透過部542とを有することとなる。これにより、光学式エンコーダ500の移動量の検出分解能がX軸方向とY軸方向とで等しくなる。

0099

以上、説明したように、本実施の形態にかかる光学式エンコーダ500は、光学式エンコーダ200と、光学式エンコーダ200をZ−Y平面に垂直な方向であるZ軸方向を軸として90°回転させた構成とが組み合わされた構成を有する。その結果、X軸方向の周期Pに対して半周期(P/2)及び、Y軸方向の周期Qに対して半周期(Q/2)の検出信号を得られる光学式エンコーダを提供することができる。

0100

なお、X軸方向光源格子521は、実施の形態3及び4と同様に、倍周期2Pの格子と、X軸方向に周期Pだけずらして配設された格子とからなる対が、1つ又はY軸方向に2つ以上並んで配設されてもよい。この場合、X軸方向光源格子521とスケール540とがY軸方向にずれた場合に、第1のフォトダイオード554から出力される検出信号の内挿誤差を小さくすることができる。

0101

Y軸方向光源格子522は、実施の形態3及び4と同様に、倍周期2Qの格子と、Y軸方向に周期Qだけずらして配設された格子とからなる対が、1つ又はX軸方向に2つ以上並んで配設されてもよい。この場合、Y軸方向光源格子522とスケール540とがX軸方向にずれた場合に、第2のフォトダイオード556から出力される検出信号の内挿誤差を小さくすることができる。

0102

その他の実施の形態
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、上述の実施の形態において、スケールの不透過部を光の反射率が高い材質で形成して光反射部とすることにより、スケールを反射型スケールとすることもできる。この場合、干渉縞検出手段は、スケールに対して光源110と同じ側に配置すればよい。

0103

また、実施の形態5にかかる光学式エンコーダ500において光透過部と光反射部とが同一の形状の場合には、透過型エンコーダおよび反射型エンコーダの双方に用いることができる。光学式エンコーダ500を反射型エンコーダとして構成する場合、光透過部と光反射部(不透過部)の面積比が1:1となるので、格子543で反射される光量が多くなる。これにより、検出信号の強度が大きな反射型エンコーダを提供できる。

0104

上述の実施の形態では、光源格子、スケール及び受光格子は、ガラス基板を用いて形成されるものとして説明したが、これは例示に過ぎない。光源格子、スケール及び受光格子は、ガラス以外の透明基板を用いて形成してもよい。また、光源格子、スケール及び受光格子は、不透明基板に設けた開口部を光透過部とすることで形成されてもよい。

0105

100、200、300、400、500、800光学式エンコーダ
110光源
120、320、420、520光源格子
121、143、145、153、241A〜246A、323、325、342、421A〜426A、523、525、541、561、563、842、853光透過部
122、144、146、154、241B〜246B、324、326、343、421B〜426B、524、526、542、562、564、843、854 不透過部
140、240、340、540、840スケール
141、241 第1のスケール格子
142、242 第2のスケール格子
150、550干渉縞検出手段
151、851受光格子
152、852フォトダイオード
170、370、470、570検出ヘッド
321、421 第1の格子
322、422 第2の格子
341 スケール格子
423〜426 第3〜第6の格子
521 X軸方向光源格子
522 Y軸方向光源格子
543 格子
551 X軸方向干渉縞検出手段
552 Y軸方向干渉縞検出手段
553 X軸方向受光格子
554 第1のフォトダイオード
555 Y軸方向受光格子
556 第2のフォトダイオード
841 スケール格子
G1〜G4ギャップ
IP1〜IP4、IP8 干渉縞

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