JPH0416713A - 光学式リニアエンコーダ - Google Patents

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】 〔概　　　要〕 本発明は、固定回折格子に、スリット位置を回折格子の
相対移動方向に所定距離づつずらして配置した複数列の
測定用スリットと、その測定用スリットの中の基準スリ
ットと同一位相で、かつ回折格子の相対移動方向と直角
方向にその基準スリットから所定距離離して配置した位
相補正用スリットとを設け、基準スリットからの信号と
位相補正用スリットからの信号との位相差を測定し、そ
の測定した位相差に基づいて測定用スリットからの信号
の位相を補正するものである。

これにより、変位測定の為の信号から回折格子間の面内
回転による位相ずれを除去できるので、変位測定の測定
精度をより向上させることができる。

〔産業上の利用分野］ 本発明は、対向配置された回折格子を透過する光を検出
して、可動回折格子と固定回折格子の相対変位を測定す
る光学式リニアエンコーダに関する。

〔従来の技術〕

従来、可動回折格子に対向配置した固定回折格子に位相
をずらした２列のスリットを設け、これらのスリットを
透過する光の強さの変化から、可動回折格子の変位を測
定する光学式リニアエンコーダが知られている。

第７図は、このような従来の光学式リニアエンコーダの
構造を示す図である。同図において、光源１１から放射
される光はコリメータレンズ１２により平行光に変換さ
れ、可動回折格子１３とその可動回折格子１３に近接し
て配置されている固定回折格子１４に入射する。この可
動回折格子１３には、第８図（ａ）に示すようにピッチ
Ｐで複数のスリットが設けられている。また、固定回折
格子１４には、第８図（ハ）に示すように上下２列に１
／４ＰピツチずらしてピッチＰで複数のスリットが設け
られている。さらに、可動回折格子１３及び固定回折格
子１４を挟んで光源１１と対向する位置には、固定回折
格子１４の上段のスリットを透過した光を検出して電気
信号に変換する光検出器１５と、下段のスリットを透過
した光を検出して電気信号に変換する光検出器１６とが
配置されている。

上記の構成の光学式リニアエンコーダにおいて、可動回
折格子１３がＸ方向に移動したとすると、光検出器１５
で検出される光信号強度は、可動回折格子１３のスリッ
トと固定回折格子１４のスリットが一致したとき最大と
なり、両者のスリット位置が１８０°ずれたとき最小と
なる。ここで、固定回折格子１４の上段のスリットと下
段のスリットとはＰ／４位相がずらして配置されている
ので、光検出器１５．１６の検出信号は、第９図（ａ）
、（′ｂ）に示すような９０°位相差を持った波形とな
る。そして、それらの検出信号を２値化した信号波形は
、第９図（Ｃ）、（５）に示すような波形となる。さら
に両者の２値化信号波形の工・ンジを検出した信号波形
は、第８図（ｅ）に示す波形となる。このエツジ検出信
号はＰ／４間隔で発生する信号となるので、エツジ検出
信号のパルス数を計数することにより、可動回折格子１
３の変位ΔＸを、ΔＸ＝Ｐ／４　Ｘ　（パルス数）とし
て求めることができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述したように光検出器１５、Ｉ６で検出した信号のエ
ツジ検出信号から変位ΔＸが算出でき為には、可動回折
格子１３と固定回折格子１４とのスリットが平行になっ
ていることが前提となる。

しかしながら、２つの回折格子のスリットを完全に平行
に配置することは困難であり、実際には何らかの角度ず
れを持って配置されている。この両者の角度ずれを面内
回転角と呼んでいる。面内回転角が零でないと、固定回
折格子１４の上段のスリットを通過した光と、下段のス
リットを通過した光の位相差が正確にＰ／４とならず、
例えば第１０図に示すようにエツジ検出信号の位相が面
内回転角分だけずれて、変位測定の誤差が生じてしまう
という問題点があった。

そこで、従来は可動回折格子１３と固定回折格子１４と
を配置する際に、面内回転を抑える為の調整機構を設け
ていた。

本発明の課題は、可動回折格子と固定回折格子間の面内
回転による位相ずれを電気的に補正できるようにするこ
とである。

〔課題を解決するための手段） 第１図（ａ）、（ｂ）は、本発明の原理説明図である。

対向配置された第１回折格子１と第２回折格子２とを経
て入射する光源３からの光を検出して、第１回折格子１
と第２回折格子２との相対変位を測定する光学式リニア
エンコーダにおいて、第２回折格子２は、同一ピッチで
、かつスリット位置を回折格子の相対移動方向に所定距
離づつずらして配置された複数列の測定用スリット３１
，３２・・・と、その複数列のスリットの中の基準スリ
ッ）Ｓｚ　と同一位相で、かつ回折格子の相対移動方向
と直角方向にその基準スリットｓ＋から所定距離熱れて
配置された位相補正用スリットＳｎとを有している。こ
の第２回折格子２は、例えば固定回折格子であり、第１
回折格子１は可動回折格子である。

第１図（ｂ）に示した第２回折格子２は、ｎ個のスリッ
ト列で構成されているが、特にｎ個である必要はなく、
少なくとも位相補正の為の基準スリットと補正用スリッ
トと１個以上の変位測定用スリットとがあればよい。

光検出器４は、上記第１回折格子１と第２回折格子２と
を経て入射する光を検出して電気信号に変換するもので
ある。

位相差測定部５は、基準スリットＳＩからの信号と、位
相補正用スリットＳｎからの信号との位相差を測定する
回路である。

また、位相補正部６は、上記位相差測定部５で測定され
る位相差に基づいて、複数列の測定用スリン）Ｓ＋　、
Ｓｚ　　・・・を経て入射し、光検出器４で検出される
信号の位相を補正する。

〔作　　　用〕

上記のように基準スリットＳｌと位相補正用スリット位
置とが配置されているので、２つの回折格子間の面内回
転角が零のときには、位相差測定部５で測定される両ス
リットからの信号の位相差は零となり、２つの回折格子
間の面内回転角が零でないときには、その面内回転角に
よる生じる位相ずれが、両スリットからの信号の位相差
として位相差測定部５で測定される。すなわち、基準ス
リットＳＬと位相補正用スリットＳａとの位相差を測定
することで、２つの回折格子間の面内回転による位相ず
れ量を求めることができる。

従って、回折格子間の相対変位を測定する為の測定用ス
リン）　（Ｓ＋　、Ｓｚなど）からの信号位相を、位相
測定部５で測定された位相差から計算される各信号の位
相差相当分だけ補正することにより、測定信号から面内
回転による位相ずれ分を取り除き、測定精度をより向上
させることができる。

〔実　　施　　例〕

以下、本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。

第２図は、本発明の実施例の光学式リニアエンコーダの
構成図である。同図において、光源である半導体レーザ
１１から放射される光は、コリメータレンズ１２により
平行光に変換され、可動回折格子１３及び固定回折格子
１７に照射される。

これら可動回折格子１３及び固定回折格子１７を通過し
た光は、拡大レンズ１８を経て複数の光検出器からなる
ディテクタアレイ１９に入射して電気信号に変換される
。

可動回折格子１３は、第３図（ａ）に示すように一定の
ピッチＰで配置された複数個のスリット１３ａからなり
、Ｘ方向に移動可能となっている。また、固定回折格子
１７は、第３図（ｂ）に示すように同一ピッチＰのｎ個
のスリット列Ｓ１〜Ｓｎで構成されており、各スリット
列は、それぞれスリット位置を可動回折格子１３の移動
方向Ｘに所定距離（例えば、Ｐ／ｎ　）づつずらして配
置されており、ｎ番目のスリットＳｎ（位相補正用スリ
ット）は１番目のスリットＳ、（基準スリット）と同位
相となっている。なお、本実施例で固定回折格子１７に
ｎ個のスリット列を設はスリットに位相差を持たせて配
置しているのは、変位測定の際の位置検出分解能を高め
る為であり、スリット列の数及び配置はこれに限らず、
測定に必要な位置検出分解能、ピッチＰ等により適宜配
置すればよい。

ディテクタアレイ１９は、スリット５１〜Ｓ、。

のそれぞれの透過光を検出するｎ個の光検出器からなり
、それぞれの光検出器の検出信号を後述する信号選択部
２０及び位相差測定部２１に出力する。

次に、可動回折格子１３を移動させたときの変位測定動
作を、第４図の変位測定部の回路構成図及び第５図の信
号波形図を参照しながら説明する。

第４図の変位測定部は、ディテクタアレイ１９で検出さ
れる変位測定信号から、回折格子の面内回転による生じ
る位相ずれ量を取り除いて、可動回折格子１３の変位を
測定する回路である。同図において、信号選択部２０は
、エンコーダ制御部２２の制御の基に、ディレクタアレ
イ１９で検出されるｎ個の検出信号（モアレ信号）を順
次選択して位相差補正部２３に出力する回路である。

位相差測定部２１は、固定回折格子１７の１番目のスリ
ットＳｔ　とｎ番目のスリットＳ、ｌとの（立相差を測
定する回路である。

本実施例では、スリットＳ１とスリットＳ１は同位相と
なるように配置しであるので、これら２つのスリットを
透過した光をディテクタアレイ１９で検出したときには
、それらの検出信号の位相差は零となるはずである。と
ころが、実際には２つの回折格子が一定の面内回転を持
っているので、両スリットからの検出信号は、面内回転
により生じる位相ずれ分だけ位相がずれる。従って、両
スリットからの信号の位相差を測定することで、２つの
回折格子の面内回転により生じる位相ずれ量を求めるこ
とができる。

位相差測定部２１では、例えば第５図に示すように、デ
ィテクタアレイ１９で検出される基準信号ｙＩ　（基準
スリットＳｔからの信号）が、予め定めた信号強度■と
なったとき、位相補正用スリットＳｎからの信号ｙ２を
取り込み、両者の信号強度差の絶対値ΔＩを算出してい
る。ここで、信号の強度差Δ■と位相差Φとの間には、
第６図に示すような関係があるので、強度差ΔＩが求め
られれば両信号の位相差Φを算出することができる。

位相差補正部２３は、位相差測定部２１で測定される位
相差に基づいて、信号選択部２０から出力される信号の
位相を補正する回路であり、補正した信号をエンコード
信号として出力する。

今、位相差測定部２１で測定されたスリットＳ１からの
信号とスリットＳｎからの信号との位相差をΦとすると
、ｋ番目のスリットＳ、の信号の面内回転による位相ず
れ量は、Φｈ　＝　（（ｋ−１）／　（ｎ−１）　）×
Φで表せる。

従って、そのときの位相ずれが正か、あるいは負かを判
断して、その位相ずれ量Φｋをに番目のスリットＳｋか
らの信号に減算、あるいは加算することにより、測定さ
れた信号から回折格子の面内回転による位相ずれの影響
を取り除くことができる。これにより、回折格子の面内
回転を調整する為の機械的調整機構が不要となる。また
、位相ずれの補正を電気的に行っているので経時変化が
なく、機械的振動等により回折格子間のずれが大きくな
って位相ずれが大きくなることもない。

〔発明の効果〕

本発明によれば、第２回折格子に設けた位相補正用スリ
ット等からの信号の位相差から、回折格子の面内回転に
よる生じる位相ずれ量を補正することができるので、機
械的な調整機構を不要とし、変位測定の測定精度を向上
させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の原理説明図、 第２図は、本発明の実施例の光学式リニアエンコーダの
構成図、 第３図は、回折格子の構造図、 第４図は、変位測定部の回路構成図、 第５図は、光検出器の検出信号波形を示す図、第６図は
、検出信号強度と位相差との関係の説明図、 第７図は、従来の光学式リニアエンコーダの構成図、 第８図は、第７図の回折格子の構造図、第９図は、光検
出信号波形図、 第１０図は、面内回転による位相ずれの説明図である。 ■・・・第１回折格子、 ２・・・第２回折格子、 ３・・・光源、 ４・・・光検出器、 ５・・・位相差測定部、 ６・・・位相補正部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 対向配置された第１回折格子と第２回折格子とを経て入
   射する光源からの光を検出して、第１回折格子と第２回
   折格子との相対変位を測定する光学式リニアエンコーダ
   において、 同一ピッチで、スリット位置を回折格子の相対移動方向
   に所定距離づつずらして配置した複数列の測定用スリッ
   トと、前記複数列のスリットの中の基準スリットと同一
   位相で、かつ回折格子の相対移動方向と直角方向に基準
   スリットから所定距離離して配置した位相補正用スリッ
   トとからなる第２回折格子と、 前記第１回折格子と第２回折格子とを経て入射する光を
   検出する光検出器と、 前記基準スリットを経て入射し光検出器で検出された信
   号と、位相補正用スリットとを経て入射し光検出器にお
   いて検出された信号との位相差を測定する位相差測定部
   と、 前記第２回折格子の複数列の測定用スリットを経て入射
   し光検出器において検出された信号の位相を、前記位相
   差測定部で測定される位相差に基づいて補正する位相補
   正部とを備えることを特徴とする光学式リニアエンコー
   ダ。