JPH01280215A

JPH01280215A - 光学式エンコーダ

Info

Publication number: JPH01280215A
Application number: JP27153087A
Authority: JP
Inventors: Keiji Matsui; 圭司松井
Original assignee: Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 1987-10-27
Filing date: 1987-10-27
Publication date: 1989-11-10
Also published as: JPH05647B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（発明の技術分野）本発明は、例えば旋盤、フライス盛等の工作機械や、半
導体製造装置の位置計測に利用することができる光学式
エンコーダに関する。

（技術的背景と解決すべき問題点）第８図は、従来の光学式アブソリュート型エンコーダの
光学系の一例を示す斜視構造図であり、測定光Ｌａを発
する、例えばＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ　ＥｍｉｔｔｉｎｇＤ
ｉｏｄｅ）やランプ等の発光素子１１と、発光素子１１
によって照射された測定光Ｌａを平行光Ｌｂにするコリ
メータレンズ１２と、コリメータレンズ１２を透過して
来た平行光Ｌｂを透過させる部分（以下、透過部という
）１３Ａ及び透過させない部分（以下、非透過部という
）１３Ｂが所定の長さく以下、格子ピッチという）で繰
返されている格子トラック１、．１２．・・・・・・、
ｔｏが表面に１本（ｎは整数）平行に並設されている第
１スケール１３と、透過部１３Ａを透過して来た光（図
示せず）を透過させる透過窓１４Ａ、、１４八２．・・
・・・・、１４Ａ、が第１スケール１３の各格子トラッ
クｊ＋、ｈ、・・・・・・＋ｊｎに対応して設けられて
いる第２スケール１４と、第２スケール１４の各透過窓
１４Ａ、、１４Ａ２．・・・・・・、１４Ａ、に対応し
て設けられ、各透過窓１４八＋　、　１４Ａ２　、”’
　−、１４Ａｎを透過して来た光Ｌｌ＋ＬＣ２＋・・・
・・・＋ＬＣｎの強度に応じた電気信号に変換する光電
変換素子１５−１．１５−２．・・・・・・、１５−ｎ
とで構成されている。

このような構成の光学式アブソリュート型エンコーダの
光学系１０に用いられる第１スケール１３には、第９図
に示すような隣り合った格子トラック１、．１２及びｈ
　、　ｔｓ及び・・・・・・及びｔｎ−１＋ｔｎの格子
ピッチＰＩ、Ｐ２．Ｐ３．・・・・・・、Ｐｌ、−、、
Ｐ、が互いに１：２の関係になっている交番２進符号（
グレイコード）が設けられている。従って、この第１ス
ケール１３の各格子トラックｊｌ＋ｊ２＋ｔ３．・・・
・・・、１ｎ−、，１，の透過部１３八、及び第１スケ
ール１３の各格子トラック１、．１．．１３．・・・・
・・、ｔｎ−１、ｔ、に対応した第２スケール１４の各
透過窓１４＾１，１４Ａ２，１４Ａ３．−・・・、１４
Ａｏ−＋、１４Ａ。

を透過して、各透過窓１４Ａｌ、１４Ａ２．１４Ａ３．
・・・・・・。

ｆ４Ａ、Ｉ、１４Ａｏに対応した各光電変換素子１５−
１゜１５−２　、１５−３、−・−・−、１５−ｎ−１
、１５−ｎに入射する光Ｌｌ：ｌ＋Ｌｅ２．Ｌｅ３＋”
””１ｃｎ−１＋Ｌｅｎの強度が、第１スケール１３の
長手方向の移動（図示矢印ｍ）に伴ってそれぞれ周期的
に変化するので、この変化に応じて各光電変換素子１５
−１．１５−２．ｌ５−３．　・・・・・・、１５−ｎ
−１，１５−ｎで変換される各電気信号もそれぞれ周期
的に変化する。第１０図は、横軸に第１スケール１３の
長手方向の移動変位量Ｉ１１℃を、縦軸に各光電変換素
子１５−１．１５−２．１５−３．　・・・・・−，１
５−ｎ−１，１５−ｎで変換された電気信号Ｓ１．Ｓ２
．Ｓ３−　””・・、Ｓ、−１，Ｓｎを示すもので、各
電気信号Ｓ１．Ｓ２．Ｓ３．・・・・・・、Ｓｏ−、、
Ｓｎがそれぞれ周期的に変化していることがわかる。そ
して、これら電気信号Ｓｌ、Ｓ２．Ｓ３．−−　、Ｓｎ
−＋、Ｓｎは、第１１図の光学式アブソリュート型エン
コーダのブロック図に示すようにそれぞれコンパレータ
２０によってデジタル化ｄ＋、ｄ２．ｄ＋、　”””＋
ｄｎ−１＋ｄｎされ、さらにデコーダ３０によって交番
２進符号から純２進符号やＢＣＤ符号等の所望の形式の
絶対位置データＤに変換される。

ところで、位置計測に利用される光学式アブソリュート
型エンコーダは、その位置検出分解能を高めてより微小
な変位量を検出可能にすること、及び同時により長いス
トロークにわたってその絶対位置を検出可能にすること
が求められている。

しかし、上述したような光学式アブソリュート型エンコ
ーダにおいては、最小位置検出分解能は最小分割された
格子トラックｔｎにおける格子ピッチＰ、と同程度であ
り、絶対位置検出ストローク長は最大分割された格子ト
ラックｔ１における格子ピッチＰ、と同程度であるので
、位置検出分解能を高め、かつ絶対位置検出ストローク
長を長くしようとすると、格子トラック数ｎが増加して
光学式アブソリュート型エンコーダが大型化したり、そ
の部品である光電変換素子、コンパレータ等の数が増加
してしまうという欠点があった。

（発明の目的）本発明は上述のような事情からなされたものであり、本
発明の目的は、位置検出分解能が高く、かつ絶対位置検
出ストローク長が長い小型の光学式エンコーダを提供す
ることにある。

（問題点を解決するための手段）本発明は、例えば旋盤、フライス盤等の工作機械や、半
導体製造装置の位置計測に利用される光学式エンコーダ
に関するものであり、本発明の上記目的は、可干渉性を
有する平行光を発する光！原装置と、光の遮断部及び非
遮断部の比及びピッチが同一で格子線方向の異なる格子
トラックが設けられ前記光源装置によって照射された前
記平行光を回折するスケールと、このスケールで回折さ
れた回折光のうち同次数の正負の回折光を受光１７て各
回折光の光点位置を検出して電気信号に変換する光点位
置検出装置とを設けることによって達成される。さらに
、上記光学式エンコーダの読取装置として、前記スケー
ルと前記光源装置、前記光点位首検出装置との相対的移
動に伴って変化する前記光点位置検出装置から出力され
る電気信号から前記同次数の正負の回折光の光点の回転
角度を求めて、前記回転角度を１つの変換手段を通じて
前記スケールの位置データに変換して出力することによ
って達成される。

（発明の作用）本発明の光学式エンコーダは、同次数の正負の回折光の
光点がスケールに設けられた格子線方向のパターンによ
って６勤（回転）することを利用して位置検出を行なっ
ているので、光源部から照射される可干渉光の光量変化
に影響されずに正確な位置検出を行なうことができるも
のである。

（発明の実施例）先ず、本発明の詳細な説明する。

第７図に示すように、光の透過部及び非透過部が所定の
ピッチで繰返されている格子トラックＴが表面に設けら
れたスケール１にレーザ等の可干渉光線りを入射させる
と、透過部を透過した可干渉光線りは回折作用を受けて
格子線に垂直な平面内で複数の回折光り。、Ｌ±＋、Ｌ
±２．・・・、Ｌｆｎ、川（以下、ｎ次回折光という（
ｎは整数））に分かれる。これら回折光のうちｎ次回折
光Ｌｉ：ｎの正負の回折光し＋。、Ｌ−、が可干渉光線
りとなす角（以下、回折角という）±θ。は可干渉光線
の波長λと格子トラックＴのピッチＰとによって次式（
１）％式％従って、スケール１からＳの距離に置かれたスクリーン
２に照射される正負の回折光りや。、Ｌ−、の光点は格
子線方向と直交する線上に次式（２）で表わされる距！
Ｉｄｎを隔てて位置する。

そこで場所によって格子線方向の異なる格子トラックが
表面に設けられたスケールに可干渉光線りを入射させて
得られる任意の同次数の正負の回折光りや。、Ｌ−ｏの
光点の移動（回転）角度からスケールの位置検出を行な
うことができる。

次に、本発明の詳細な説明する。

第１図は、本発明の光学式アブソリュートエンコーダの
光学系の一例を示す構造図であり、可干渉性の測定光Ｌ
Ｉを発する、例えばＬＤ　（ＬａｓｅｒＤｉｏｄｅ）等
の発光素子３０１　と、この発光素子３０１によって照
射された測定光Ｌｌを平行光ＬＪにするコリメータレン
ズ３０２　と、このコリメータレンズ３０２で平行にさ
れた平行光ＬＪを部分的に透過させて所定幅の光束りに
とするスリット３０３と、スリット３０３からの光束の
透過部、非透過部の比及びピッチが同一で方向の異なる
格子が繰返されている格子トラックＴＣが表面に設けら
れている長形状のスケール３０４と、格子トラックＴｃ
で回折された複数の回折光（図示せず）をそれぞれ集光
する集光レンズ３０５と、集光レンズ３０５からの各回
折光ＬＬＯ。

ＬＬ±１．・・・・・・、のうち、０次回折光ＬＬ。の
みを遮ぎる０次回折光遮へい板３０６と、この遮へい板
３０６を透過した同次数の正負の回折光（図では１次回
折光を示す）　ＬＭ±１の光点ＬＰ±、の位置を検出し
て電気信号に変換する、例えばイメージセンサ等の光点
位置検出素子３０７とで構成されている。発光素子３０
１．コリメータレンズ３０２．スリット３０３、集光レ
ンズ３０５及び遮へい板３０Ｂが直線状に固定して配設
されており、スケール３０４に対して相対的に移動でき
れば良いが、ここではスケール３０４がＥ又はＦの長手
方向に直線的に移動するようになっている。

このような構成の光学式アブソリュート型エンコーダの
光学系３００に用いられるスケール３０４には、例えば
第２図に示すように光の透過部、非透過部の比及びピッ
チＰεが同一で、ＪｌＡＢ間で格子線方向が変化（ｋ点
−１点−ｍ点＝ｎ点と穆るに従って左回りに回転し、０
点でに点と同一方向に戻る）している格子トラックＴＣ
が設けられている。

従って、光点位置検出素子３０７に入射する１次回折光
ＬＭｆｌの光点ＬＰ、、、ＬＰ−，はスケール３０４の
Ｅ又はＦの長手方向の移動の際の格子線方向の変化に伴
って光点位置検出素子３０７上で直径ｄ１の円周上を常
に１８０°隔てながら回転（第２図に°。

１−　’　、ｍ’　、ｎ’　、Ｏ’　）するので、この
回転角度によってスケール３０４の位置を検出すること
ができる。なお、前述の原理でも説明したように、格子
線方向は単に光点を回転させるためのものであるから、
上記２□間の格子線方向は任意に変化させることが可能
である。そして、任意の同次数の正負の回折光の光点の
回転角度によってスケールの位置を検出することができ
る。

第３図は、上述した光点位置検出素子３０７からの電気
信号によって位置データを求める読取回路の一例を示す
ブロック図であり、上述したように任意の同次数の正負
の回折光を選択すれば良く、例えば１次回折光ＬＭ±１
の光点１、Ｐ、、、　ＬＰ−、の位置は第４図に示すよ
うに光点位置検出素子３０７によってそれぞれの（ｘ　
、　ｙ）座標を表わす電気信号（Ｘ　４　＋　１　ｙ＋
　１　）及び（Ｘ−＋、ｙ−＋）に変換される。そして
、減算器３１１Ａ及び３１１Ｂが各光点間距離のＸ成分
Ｘ＝＋　（ｘＢ−ｘ−＋）及びＹ成分Ｙ＝　（Ｙ−＋−
ｙ−＋）を求めて大小比較器３１２及び除算器３１３に
出力する。そ大小を比較（１ｉＩ≧山又は１油＜山）シ
、この比較結果ＣＲを除算器３１３に出力すると、除算
器３１３が１ｘ１　≧＋ｉ＋の場合は”ｔ／Ｑ　、　ｔ
）ｌｉ＋　＜山の場合はＭ７ｖｆをそれぞれ求めてデー
タ変換器３１４に出力する。ここで、第５図は、除算器
３１３で求めた除算値マ／ｉ又はＱ／”ｔとスケール３
０４の位置との関係、及びこれに対応する光点位置検出
素子３０７上の光点ＬＰ＋１．ＬＰ−１の位置、大小比
較器３１２の比較結果ＣＲの一例を示すものである。こ
の例はスケール３０４の位置と格子線方向の変化とが比
例関係にあるような格子トラックＴＣがスケール３０４
　に施されている場合で、スケール３０４の位置が変化
すｃｏｔ曲線となる。そこで、データ変換器３１４は大
小比較器３１２からの比較結果ＣＲ’が＋Ｘ＋≧山のと
きはｊａｎ−’　（ｙ／ｘ）を演算し、また大小比較器
３１２からの比較結果ＣＲ’が＋Ｙ＋　＜ｌｙｌのとき
はｃｏじＩ（ｋ／マ）を演算して光点ＬＰ、１．ＬＰ−
１を結ぶ直線の傾きφを求め、予め記憶されている傾き
φに対応するスケール３０４の位置データの中から該当
する位置データＤＰを出力する。また、スケール３０４
の位置と格子線方向の変化が比例関係にないような格子
トラックＴＣがスケール３０４に施されている場合でも
、除算値マ／ｉ又はＱｐｔの値に対応するスケール３０
４の位置データをデータ変換器３１４に予め記憶させて
おけば位置データＯＰを求めることができる。

なお、上述の実施例において、発光素子から照射された
可干渉光をスケールに透過させて回折光を得ているが、
透過光と反射光とは性質上差がないのでスケールで反射
させて回折光を得るようにすることも可能である。反射
式とした場合、発光素子、コリメータ、スリットと集光
レンズ、０次回折光遮へい板、光点位置検出素子とはス
ケールに対して同一側に配設され、スケールは光反射部
と先非反射部とで形成される。また、第６図に示すよう
にスケールを円板３０８にして、その表面に本発明の格
子トラックＴＣを円環状に設け、円板３０８の中心を回
転軸にして回転させれば、角度の検　出をアブソリュー
トで行なうことも可能である。さらに、上述の実施例に
おいて光源部及び光点位置検出部を固定し、スケールを
移動させて位置検出を行なっているが、スケールを固定
し、光源部及び光点位置検出部を移動させるようにして
も位置検出が可能である。

（発明の効果）以上のように本発明の光学式エンコーダによれば、従来
複数本の格子トラックが必要であった長ストロークの絶
対位置検出が１本の格子トラックで可能となるので、部
品が小さくなって光学式エンコーダを小型化することが
できると共に、光学式エンコーダの製造コストダウンや
製品コストダウンを図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光学式エンコーダの光学系の一例を示
す斜視構造図、第２図はその格子トラックの一例を示す
図、第３図はその検出回路の−例を示すブロック図、第
４図及び第５図はそれぞれ検出方法を説明する図、第６
図はその格子トラックの別の適用例を示す斜視図、第７
図は本発明の詳細な説明する図、第８図は従来の光学式
エンコーダの光学系の一例を示す斜視構造図、第９図は
その格子トラックの一例を示す図、第１θ図はその電気
信号の一例を示す図、第１１図はその検出回路の一例を
示すブロック図である。ｔｏ、３００・・・アブソリュート型エンコーダの光学
系、１１，３０１・・・発光素子、１２，３０２・・・
コリメータレンズ、１３，１４，３０４・・・スケール
、３０３・・・スリット、３０５・・・集光レンズ、３
０６・・・Ｏ次回折光遮へい板、３０７・・・光点位置
検出素子、３１０・・・読取回路、３１１Ａ、３１１Ｂ
・・・減算器、３１２・・・大小比較器、３１３・・・
除算器、３１４・・・データ変換器。第１已袈４　図３０Ｂ第Ｂ園

Claims

【特許請求の範囲】

（１）可干渉性を有する平行光を発する光源装置と、光
の遮断部及び非遮断部の比及びピッチが同一で格子線方
向の異なる格子トラックが設けられ前記光源装置によっ
て照射された前記平行光を回折するスケールと、このス
ケールで回折された回折光のうち同次数の正負の回折光
を受光して各回折光の光点位置を検出して電気信号に変
換する光点位置検出装置とで成ることを特徴とする光学
式エンコーダ。
（２）前記光源装置は、可干渉光を発する光源と、この
光源によって照射された前記可干渉光を平行光にするコ
リメータレンズと、このコリメータレンズで平行化され
た前記平行光を所定幅に制限するスリットとで構成され
ている特許請求の範囲第１項に記載の光学式エンコーダ
。
（３）前記光源が、レーザ光を発するレーザ光発振素子
である特許請求の範囲第２項に記載の光学式エンコーダ
。
（４）前記光源装置及び光点位置検出装置が前記スケー
ルに対して反対側にあり、前記スケールの非遮断部が、
前記光源装置によって照射された前記平行光を透過して
回折するようになっている特許請求の範囲第１項に記載
の光学式エンコーダ。
（５）前記光源装置及び光点位置検出装置が前記スケー
ルに対して同一側にあり、前記スケールの非遮断部が、
前記光源装置によって照射された前記平行光を反射して
回折するようになっている特許請求の範囲第１項に記載
の光学式エンコーダ。
（６）前記スケールが、長方形状の格子トラックが設け
られている平板であり、前記相対的移動が直線である特
許請求の範囲第１項に記載の光学式エンコーダ。
（７）前記スケールが、円環状の格子トラックが設けら
れている円板であり、前記相対的移動が回転である特許
請求の範囲第１項に記載の光学式エンコーダ。
（８）前記光点位置検出装置は、前記スケールによって
回折された前記回折光を集光する集光レンズと、集光さ
れた前記回折光のうち０次回折光のみを遮ぎる遮へい板
と、この遮へい板を透過した前記回折光の光点位置を検
出して電気信号に変換する光点位置検出素子とで構成さ
れている特許請求の範囲第１項に記載の光学式エンコー
ダ。
（９）前記光点位置検出素子が光点位置を電気信号に変
換するイメージセンサである特許請求の範囲第８項に記
載の光学式エンコーダ。
（１０）前記スケールと前記光源装置、前記光点位置検
出装置との相対的移動が、前記スケールが前記光源装置
、前記光点位置検出装置に対して移動するようになって
いる特許請求の範囲第１項に記載の光学式エンコーダ。
（１１）前記スケールと前記光源装置、前記光点位置検
出装置との相対的移動が、前記光源装置、前記光点位置
検出装置が一緒に前記スケールに対して移動するように
なっている特許請求の範囲第１項に記載の光学式エンコ
ーダ。
（１２）可干渉性を有する平行光を発する光源装置と、
光の遮断部及び非遮断部の比及びピッチが同一で格子線
方向の異なる格子トラックが設けられ前記光源装置によ
って照射された前記平行光を回折するスケールと、この
スケールで回折された回折光のうち同次数の正負の回折
光を受光して各回折光の光点位置を検出して電気信号に
変換する光点位置検出装置とで成る光学系を有し、かつ
前記スケールと前記光源装置、前記光点位置検出装置と
の相対的移動に伴って変化する前記光点位置検出装置か
ら出力される電気信号から前記同次数の正負の回折光の
光点の回転角度を求めて、前記回転角度を１つの変換手
段を通じて前記スケールの位置データに変換して出力す
る読取装置を有することを特徴とする光学式エンコーダ
。
（１３）前記読取装置が、前記光点位置検出装置から出
力される前記同次数の正負の回折光の光点の直交座標上
の差によって前記光点を結ぶ線分の各直交成分を求める
減算部と、この減算部で求められた前記各直交成分の大
小を比較する比較部と、この比較部からの比較結果に基
づいて前記減算部からの前記各直交成分を除算する除算
部と、この除算部からの除算値を前記スケールの位置デ
ータに変換する変換手段とで構成されている特許請求の
範囲第１２項に記載の光学式エンコーダ。
（１４）前記変換手段が、前記スケールと前記光源装置
、前記光点位置検出装置との相対的移動に伴って変化す
る前記格子トラックのパターンに対応した前記同次数の
正負の回折光の光点の回転角度を予め記憶するようにな
っている記憶部と、前記除算部で求められた除算値から
前記回転角度を求め、この回転角度を前記記憶部に記憶
されている回転角度と照合して該当する前記スケールの
位置データを出力する照合部とで構成されている特許請
求の範囲第１３項に記載の光学式エンコーダ。
（１５）前記変換手段が、前記スケールと前記光源装置
、前記光点位置検出装置との相対的移動に伴って変化す
る前記格子トラックのパターンに対応した前記除算値を
予め記憶するようになっている記憶部と、前記除算部で
求められた除算値を前記記憶部に記憶されている除算値
と照合して該当する前記スケールの位置データを出力す
る照合部とで構成されている特許請求の範囲第１３項に
記載の光学式エンコーダ。