JP2001004411A - Optical encoder - Google Patents

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To generate always stable pulses whose width and phase are not changed when the quantity of light is changed, by obtaining a signal excellent in contrast with the same light receiving element part, to optical scales of all diameters. SOLUTION: A luminous flux from a light emitting element 11 is converted to a convergent light with a lens 12 and cast to a first region 13a of an optical scale 13. The reflected luminous flux is diffracted by a lattice of the first region 13a, and diffracted lights of zero-order, ±primary, ±secondary... are condensed on the surface of a concave mirror 14. The condensed diffracted lights are reflected by the concave mirror 14, and imaged again on a second region 13b of the optical scale 13, and form an image of radial trenches. By constitution of a slanting surface of the second region 13b, the luminous flux divided into three directions pass the lens 12 again, and the respective quantities of lights are detected by three photodetectors of a light receiving element part 15.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【０００１】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、移動情報を高精度
に検出する光学式エンコーダに関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical encoder for detecting movement information with high accuracy.

【０００２】[0002]

【従来の技術】従来から知られている移動体の位置や速
度を検出する方法としては、大別すると磁気式エンコー
ダによる方法と光学式エンコーダによる方法がある。光
学式エンコーダは投光部と受光部と光学スケールから構
成されており、光学スケールには薄いＳＵＳ材が使用さ
れ、精密プレス打抜き加工又はエッチング加工により製
作されるのが一般的である。2. Description of the Related Art Conventionally, methods for detecting the position and speed of a moving object are roughly classified into a method using a magnetic encoder and a method using an optical encoder. The optical encoder includes a light projecting unit, a light receiving unit, and an optical scale, and a thin SUS material is used for the optical scale, and is generally manufactured by precision press punching or etching.

【０００３】しかし近年では、透明な材質にＶ型断面を
有する溝を形成した光学スケールを用い光学式エンコー
ダが、例えば特願平１１−２３３２４号公報などで提案
されており、プリンタや複写機などに使用されている。However, in recent years, an optical encoder using an optical scale having a groove having a V-shaped cross-section formed in a transparent material has been proposed in, for example, Japanese Patent Application No. 11-23324, such as a printer or a copier. Used in

【０００４】図１１は従来例の自己投射型光学式エンコ
ーダの光学系の斜視図、図１２は断面図を示す。例え
ば、波長６３２．８ｎｍの可干渉性光束を発するＬＥＤ
や半導体レーザーなどの光源１と、球面レンズ又は非球
面レンズから成るレンズ系２とから構成される光照射手
段３、位相差検出機構及び振幅型の回折格子機構を有す
る格子を形成した光学スケール４、この格子のフーリエ
変換面に一致する曲面を有し、入射光束の中心部光束の
光軸Ｏに対して偏心差Δだけ偏心した光軸Ｏ１を有する
凹面ミラー５、３個の光学素子であるフォトディテクタ
６ａ、６ｂ、６ｃから成る受光手段６が配列されてい
る。受光手段６の出力は、パルスカウント回路や回転方
向の判別回路を有する信号処理手段７に接続されてお
り、光照射手段３と受光手段６は筐体８内に固定保持さ
れている。FIG. 11 is a perspective view of an optical system of a conventional self-projection type optical encoder, and FIG. 12 is a sectional view. For example, an LED that emits a coherent light beam with a wavelength of 632.8 nm
Irradiating means 3 comprising a light source 1 such as a laser or a semiconductor laser and a lens system 2 comprising a spherical lens or an aspherical lens, an optical scale 4 having a grating having a phase difference detecting mechanism and an amplitude type diffraction grating mechanism. A concave mirror 5, which has a curved surface that coincides with the Fourier transform surface of this grating, and has an optical axis O1 that is decentered by an eccentric difference Δ with respect to the optical axis O of the central beam of the incident light beam, and three optical elements. Light receiving means 6 composed of photodetectors 6a, 6b, 6c is arranged. The output of the light receiving means 6 is connected to a signal processing means 7 having a pulse counting circuit and a rotation direction discriminating circuit, and the light irradiating means 3 and the light receiving means 6 are fixed and held in a housing 8.

【０００５】光学スケール４は図示しない回転体の一部
に取り付けられており、回転体と一体的に回転軸Ｏ２を
中心に矢印Ｄ方向に回転している。光学スケール４の格
子は、図１３に示すようにＶ溝を構成する２つの傾斜面
Ｉ１、Ｉ２と１つの平坦部Ｆが、所定のピッチＰで交互
に配列されて形成されている。Ｖ溝の幅はＰ／２で、Ｖ
溝を形成する２つの傾斜面Ｉ１、Ｉ２はそれぞれＰ／４
の幅を有し、平坦部Ｆに対してそれぞれ臨界角以上の例
えば角度θ＝４５度で傾斜している。The optical scale 4 is attached to a part of a rotating body (not shown), and rotates integrally with the rotating body in the direction of arrow D about a rotation axis O2. As shown in FIG. 13, the grating of the optical scale 4 is formed by alternately arranging two inclined surfaces I1 and I2 and one flat portion F forming a V groove at a predetermined pitch P. The width of the V groove is P / 2,
The two inclined surfaces I1 and I2 forming the groove are each P / 4
And is inclined with respect to the flat portion F at an angle θ of 45 degrees or more that is equal to or larger than the critical angle.

【０００６】光照射手段３の１要素である光源１からの
光束は、レンズ系２により集光して光学スケール４に至
る。光学スケール４の第１領域４ａに入射した光束は、
格子により回折して、ｎ次の回折光（０次と±１次の回
折光）が凹面ミラー５の瞳位置又はその近傍に集光す
る。A light beam from a light source 1, which is one element of the light irradiation means 3, is condensed by a lens system 2 and reaches an optical scale 4. The luminous flux incident on the first area 4a of the optical scale 4 is
The light is diffracted by the grating, and the n-th order diffracted light (0th order and ± 1st order diffracted light) is focused on the pupil position of the concave mirror 5 or in the vicinity thereof.

【０００７】凹面ミラー５はこの集光した３つの回折光
を反射し、光学スケール４の面上の第２領域４ｂに、こ
れら３つの回折光に基づく干渉パターン像を結像する。
このとき、光学スケール４が回転方向Ｄに移動すると、
結像した像は回転方向Ｄと反対の方向に移動する。即
ち、格子と干渉パターン像は相対的に光学スケール４の
移動量の２倍の値で相対変位する。これによって、光学
スケール４に構成されている格子の２倍の分解能の回転
情報が得られる。The concave mirror 5 reflects the three condensed diffracted lights, and forms an interference pattern image based on the three diffracted lights on the second area 4b on the surface of the optical scale 4.
At this time, when the optical scale 4 moves in the rotation direction D,
The formed image moves in the direction opposite to the rotation direction D. That is, the grating and the interference pattern image are relatively displaced relative to each other by twice the value of the moving amount of the optical scale 4. As a result, rotation information with twice the resolution of the grating formed in the optical scale 4 is obtained.

【０００８】光学スケール４の第２領域４ｂの近傍に形
成された干渉パターン像と、格子のＶ溝との位相関係に
基づく光束は第２領域４ｂで幾何学的に屈折され、第２
領域４ｂを射出した３つの光束は、それぞれ受光手段６
の３つのフォトディテクタ６ａ、６ｂ、６ｃで受光さ
れ、この受光手段６からの信号が信号処理手段７によっ
て処理されて回転情報が得られる。A light beam based on the phase relationship between the interference pattern image formed in the vicinity of the second region 4b of the optical scale 4 and the V-groove of the grating is geometrically refracted in the second region 4b,
The three luminous fluxes emitted from the area 4b are respectively received by the light receiving means 6
Are received by the three photodetectors 6a, 6b and 6c, and the signal from the light receiving means 6 is processed by the signal processing means 7 to obtain rotation information.

【０００９】図１３(a) は光学スケール４の第１領域４
ａの格子上に入射する収束光を示し、この内の格子の平
坦部Ｆに到達した光束は、平坦部Ｆを通過して凹面ミラ
ー５に進みその面上に結像する。また、Ｖ溝を構成する
傾斜面Ｉ１に到達した光束は、傾斜面Ｉ１の傾斜角が臨
界角以上に設定されているために全反射し、同様にＶ溝
を構成する他方の傾斜面Ｉ２に向けられ、傾斜面Ｉ２で
再び全反射する。FIG. 13A shows a first region 4 of the optical scale 4.
FIG. 4A shows convergent light incident on the grating a, and a light beam that has reached the flat portion F of the grating passes through the flat portion F and travels to the concave mirror 5 to form an image on that surface. Further, the luminous flux reaching the inclined surface I1 forming the V-groove is totally reflected since the inclination angle of the inclined surface I1 is set to be equal to or larger than the critical angle, and is similarly reflected on the other inclined surface I2 constituting the V-groove. And is totally reflected again by the inclined surface I2.

【００１０】このようにして、最終的に格子の傾斜面Ｉ
１に到達した光束は、光学スケール４の内部に進入する
ことなく入射方向に戻されることになる。同様に、他方
の傾斜面Ｉ２に到達した光束も全反射を繰り返して戻さ
れる。従って、第１領域４ａにおいて、２つの傾斜面Ｉ
１、Ｉ２に到達する光束は、光学スケール４を透過する
ことなく反射され、平坦部Ｆに到達した光束のみが光学
スケール４内を進むことになる。In this way, finally, the inclined plane I of the grating
The light flux that has reached 1 returns to the incident direction without entering the inside of the optical scale 4. Similarly, the light beam that has reached the other inclined surface I2 is returned by repeating total reflection. Therefore, in the first region 4a, the two inclined surfaces I
1, the light beam that reaches I2 is reflected without passing through the optical scale 4, and only the light beam that reaches the flat portion F travels inside the optical scale 4.

【００１１】第１領域４ａにおいて、Ｖ溝型の格子は透
過型の振幅回折格子と同様の光学的作用を有する。即
ち、光束は第１領域４ａの格子で回折され、格子の作用
によって０次、±１次、±２次、‥‥の回折光が発生し
て、凹面ミラー５の面上に集光する。集光した回折光は
凹面ミラー５により反射されて、光学スケール４の第２
領域４ｂに再結像し、光学スケール４面上に放射状の溝
の像を結像する。ここで、第１領域４ａと第２領域４ｂ
は光学スケール４面の放射状格子に対して、半径方向に
異なった（一部が重複していてもよい）領域であるため
に、第１領域４ａと第２領域４ｂの格子ピッチが異な
り、更に第２領域４ｂの照射領域においても、光学スケ
ール４の内周側と外周側でピッチが異なっている。In the first region 4a, the V-groove type grating has the same optical action as the transmission type amplitude diffraction grating. That is, the light beam is diffracted by the grating of the first area 4a, and the diffraction action of the 0th order, ± 1st order, ± 2nd order, and ‥‥ is generated by the action of the grating, and is condensed on the surface of the concave mirror 5. The condensed diffracted light is reflected by the concave mirror 5 and the second
An image is formed again on the area 4b, and an image of a radial groove is formed on the surface of the optical scale 4. Here, the first region 4a and the second region 4b
Is a radially different (partially overlapped) region with respect to the radial grating on the optical scale 4 surface, so that the first region 4a and the second region 4b have different grating pitches. Also in the irradiation area of the second area 4b, the pitch differs between the inner circumference side and the outer circumference side of the optical scale 4.

【００１２】従って、本実施例では第２領域４ｂに第１
領域４ａの格子を拡大投影し、光学スケール４の放射状
の格子と同じピッチの反転像を形成するようにしてい
る。このために、凹面ミラー５を所望の曲率半径Ｒに設
定して、入射光束の光軸Ｏに対して偏心配置すると共
に、拡大投影倍率が最適な値になるように、入射光軸Ｏ
に対する凹面ミラー５のずれ量Δを設定している。この
ようにして、第１領域４ａの格子像が凹面ミラー５によ
り第２領域４ｂの面上に結像する際に、放射状格子の一
部のピッチを一致させることによって、Ｓ／Ｎ比の良い
検出信号を得ている。Therefore, in the present embodiment, the first region is located in the second region 4b.
The grid in the area 4a is enlarged and projected so that an inverted image having the same pitch as the radial grid of the optical scale 4 is formed. For this purpose, the concave mirror 5 is set to a desired radius of curvature R, eccentrically arranged with respect to the optical axis O of the incident light beam, and the incident optical axis O is adjusted so that the enlarged projection magnification becomes an optimum value.
Of the concave mirror 5 is set with respect to. In this way, when the lattice image of the first region 4a is formed on the surface of the second region 4b by the concave mirror 5, the pitch of a part of the radial lattice is made to match, so that the S / N ratio is improved. The detection signal has been obtained.

【００１３】第２領域４ｂにおいて平坦部Ｆに入射した
光束は、図１３(b) に示すように傾斜面Ｉ１、Ｉ２に対
して直線的に透過し、受光手段６の中央部のフォトディ
テクタ６ｂに到着する。また、Ｖ溝面を形成する２つの
傾斜面Ｉ１、Ｉ２に到達した光束は、それぞれの面に４
５度の入射角を持って入射するために、それぞれ異なる
方向に大きく屈折して、受光手段６の両端のフォトディ
テクタ６ａ、６ｃに到達する。The light beam incident on the flat portion F in the second region 4b is linearly transmitted through the inclined surfaces I1 and I2 as shown in FIG. 13B, and is transmitted to the photodetector 6b at the center of the light receiving means 6. arrive. Further, the luminous flux that has reached the two inclined surfaces I1 and I2 forming the V-groove surface is 4
Since the light is incident at an incident angle of 5 degrees, the light is largely refracted in different directions and reaches the photodetectors 6a and 6c at both ends of the light receiving means 6.

【００１４】このように第２領域４ｂにおいて、入射光
束に対して異なる方向に傾斜した２つの傾斜面Ｉ１、Ｉ
２、及びＶ溝の間の平坦部Ｆの合計３種の傾き方向の異
なる面によって、光束は３つの方向に別れて進み、それ
ぞれの面に対応した位置に設けられた各フォトディテク
タ６ａ、６ｂ、６ｃに到達する。即ち、第２領域４ｂの
格子と、その面上に結像した干渉パターン像との位相関
係に基づく光束が、３方向に偏向されて各フォトディテ
クタ６ａ、６ｂ、６ｃに結像することになるので、第２
領域４ｂにおいてＶ溝の格子は光波波面分割素子として
機能する。As described above, in the second region 4b, the two inclined surfaces I1, I inclined in different directions with respect to the incident light beam.
2 and the flat portion F between the V-grooves, the light flux advances in three directions by the three different surfaces of the inclination direction in total, and the photodetectors 6a, 6b, and 6b provided at positions corresponding to the respective surfaces. 6c. That is, a light beam based on the phase relationship between the grating of the second region 4b and the interference pattern image formed on the surface thereof is deflected in three directions and forms images on the photodetectors 6a, 6b, and 6c. , Second
In the region 4b, the V-groove grating functions as a light wavefront splitting element.

【００１５】ここで、光学スケール４が回転すると、各
フォトディテクタ６ａ、６ｂ、６ｃで検出される光量が
変化する。格子の位置と干渉パターン像の位置の相対的
変位に応じて、各フォトディテクタ６ａ、６ｂ、６ｃに
入射する光量バランスが変化し、その結果として光学ス
ケール４が反時計廻りに回転した場合には、図１４に示
すような光学スケール４の回転に伴う光量変化が得られ
る。ここで、横軸は光学スケール４の回転量、縦軸は受
光光量を示し、信号ａ、ｂ、ｃはそれぞれフォトディテ
クタ６ａ、６ｂ、６ｃの出力に対応している。また、逆
に光学スケール４が時計廻りに回転した場合には、信号
ａはフォトディテクタ６ｂ、信号ｂはフォトディテクタ
６ａ、信号ｃはフォトディテクタ６ｃの出力となる。こ
れらの信号を基にパルス信号を発生し、光学スケール４
の回転角度や回転量又は回転速度や回転加速度等の回転
情報を得る。なお、図１４は第２領域４ｂに形成される
干渉パターン像のコントラストが非常に高く、理想に近
い場合の理論的な光量変化を示している。Here, when the optical scale 4 rotates, the amount of light detected by each of the photodetectors 6a, 6b, 6c changes. When the balance of the amount of light incident on each of the photodetectors 6a, 6b, and 6c changes according to the relative displacement between the position of the grating and the position of the interference pattern image, and as a result, when the optical scale 4 rotates counterclockwise, As shown in FIG. 14, a change in the amount of light due to the rotation of the optical scale 4 is obtained. Here, the horizontal axis indicates the amount of rotation of the optical scale 4 and the vertical axis indicates the amount of received light, and the signals a, b, and c correspond to the outputs of the photodetectors 6a, 6b, and 6c, respectively. Conversely, when the optical scale 4 rotates clockwise, the signal a is the output of the photodetector 6b, the signal b is the output of the photodetector 6a, and the signal c is the output of the photodetector 6c. A pulse signal is generated based on these signals, and the optical scale 4
The rotation information such as the rotation angle, rotation amount, rotation speed, rotation acceleration, and the like is obtained. FIG. 14 shows a theoretical change in the amount of light when the contrast of the interference pattern image formed in the second region 4b is very high and is close to ideal.

【００１６】[0016]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来例の
光学式エンコーダは、Ｖ溝の光学スケール４の透過光を
使用しているために、凹面ミラー５を光学スケール４に
対して光源１や受光素子６の反対側に配置しなければな
らない。However, since the conventional optical encoder uses the transmitted light of the V-groove optical scale 4, the concave mirror 5 moves the optical scale 4 to the light source 1 and the light receiving element. 6 must be placed on the opposite side.

【００１７】本発明の目的は、上述の従来例の改良とし
て、特に軸方向の高さの面でコンパクトな構成でコント
ラストの良好な変位情報を検出する光学式エンコーダを
提供することにある。An object of the present invention is to provide an optical encoder which detects displacement information with good contrast in a compact configuration, particularly in the height in the axial direction, as an improvement over the above-mentioned conventional example.

【００１８】[0018]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明に係る光学式エンコーダは、基板上に周期的に
配設した格子部を有する相対移動可能な光学スケール上
の第１領域に光照射手段からの光束を入射し、前記第１
領域の格子部で反射回折した回折光を反射しかつ集光し
て前記光学スケールの第２領域に入射し、該第２領域の
格子部を介した光束を受光手段で受光することにより、
前記光学スケールの変位情報を検出することを特徴とす
る。An optical encoder according to the present invention for achieving the above object comprises a first area on a relatively movable optical scale having a grating portion periodically arranged on a substrate. The light beam from the light irradiation means is incident, and the first
By reflecting and condensing the diffracted light reflected and diffracted by the grating portion of the region and making it incident on the second region of the optical scale, the light beam passing through the grating portion of the second region is received by the light receiving means,
It is characterized in that displacement information of the optical scale is detected.

【００１９】[0019]

【発明の実施の形態】本発明を図１〜図１０に図示の実
施例に基づいて詳細に説明する。図１は第１の実施例の
光学式エンコーダの断面図を示し、回転方式の光学スケ
ールを有する光学式エンコーダであるが、直線的に移動
するリニア型エンコーダでも適用可能である。光学式エ
ンコーダはＬＥＤやＬＤなどの発光素子１１、片面が投
光側と受光側とに分かれた形状を有するレンズ１２、ポ
リカードネートなどの透明な材質から成り回転軸を中心
に回転する光学スケール１３、凹面ミラー１４、３個の
フォトディテクタ１５ａ、１５ｂ、１５ｃから成る受光
素子部１５から構成されている。円板状の光学スケール
１３には、放射状の光学的グレーティングが形成された
第１領域１３ａ及び第２領域１３ｂが設けられている。
なお、第１領域１３ａと第２領域１３ｂのグレーティン
グの本数やピッチ等は必ずしも一致させる必要はない。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described in detail with reference to the embodiments shown in FIGS. FIG. 1 is a sectional view of the optical encoder according to the first embodiment, which is an optical encoder having a rotary optical scale. However, a linear encoder that moves linearly is also applicable. The optical encoder is a light emitting element 11 such as an LED or an LD, a lens 12 having one side divided into a light projecting side and a light receiving side, and an optical scale made of a transparent material such as polycarbonate, which rotates about a rotation axis. 13, a concave mirror 14, and a light receiving element unit 15 including three photodetectors 15a, 15b, and 15c. The disc-shaped optical scale 13 is provided with a first area 13a and a second area 13b on which a radial optical grating is formed.
Note that the number of gratings, the pitch, and the like of the first region 13a and the second region 13b do not necessarily have to match.

【００２０】図２は径方向から見た第１領域１３ａの断
面図を示し、第１領域１３ａにはＶ型断面形状の溝がピ
ッチＰで周期的に形成されている。このＶ溝の斜面の角
度は、入射光が全反射するように臨界角以上の角度の例
えば４５度とされ、平坦面Ｆに入射した光束は透過し、
傾斜面Ｉに入射した光束は反射するようになっている。
即ち、第１領域１３ａにおいて、Ｖ溝の格子部は反射型
の振幅回折格子と同様の光学作用をする。FIG. 2 is a sectional view of the first region 13a viewed from the radial direction. In the first region 13a, grooves having a V-shaped cross-sectional shape are periodically formed at a pitch P. The angle of the slope of the V-groove is set to an angle equal to or larger than the critical angle, for example, 45 degrees so that the incident light is totally reflected, and the light beam incident on the flat surface F is transmitted.
The light beam incident on the inclined surface I is to be reflected.
That is, in the first region 13a, the grating portion of the V groove performs the same optical action as the reflection type amplitude diffraction grating.

【００２１】図３は径方向から見た第２領域１３ｂの断
面図を示し、第２領域１３ｂにはＶ型断面形状の溝が放
射方向に周期的に形成されている。これらＶ溝の全ての
傾斜面Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４は全反射する臨界角以上
の角度とされているが、傾斜面Ｉ１とＩ２がなす角はほ
ぼ９０度であり、傾斜面Ｉ３とＩ４がなす角は９０度よ
り少し大きい角度となるように設定されている。FIG. 3 is a cross-sectional view of the second region 13b viewed from the radial direction. In the second region 13b, grooves having a V-shaped cross section are formed periodically in the radial direction. All the inclined surfaces I1, I2, I3, and I4 of these V-grooves have an angle greater than the critical angle for total reflection, but the angle formed by the inclined surfaces I1 and I2 is approximately 90 degrees, and the inclined surfaces I3 and I4 Is set to be an angle slightly larger than 90 degrees.

【００２２】発光素子１１から放射された光束はレンズ
１２の投光側により集束光に変換され、光学スケール１
３の第１領域１３ａに照射される。この第１領域１３ａ
の格子により反射光束は回折され、格子の作用により０
次、±１次、±２次、‥‥の回折光が発生し、凹面ミラ
ー５面上に集光する。The light beam emitted from the light emitting element 11 is converted into a converged light by the light projecting side of the lens 12 and
Irradiation is performed on the first region 13a. This first area 13a
The reflected light beam is diffracted by the grating of
Next, ± 1 order, ± 2 order, and ‥‥ diffracted light are generated and converge on the concave mirror 5 surface.

【００２３】集光した回折光は凹面ミラー１４により反
射され、光学スケール１３の第２領域１３ｂで再結像
し、光学スケール１３面上に放射状の溝の像を結像す
る。このとき、第２領域１３ｂの傾斜面Ｉ１〜Ｉ４の構
成により、傾斜面Ｉ１、Ｉ２に入射した光束は２回反射
した後に、径方向から見て図３に示すように入射方向に
そのまま戻る。ただし、周方向から見ると図１に示すよ
うに外径方向に反射されている。一方、傾斜面Ｉ３に入
射した光束は２回反射した後に、径方向から見て若干左
方向に反射される。また、傾斜面Ｉ４に入射した光束は
２回反射した後に、径方向から見て若干右方向に反射さ
れる。The condensed diffracted light is reflected by the concave mirror 14, re-images on the second area 13b of the optical scale 13, and forms an image of a radial groove on the optical scale 13 surface. At this time, due to the configuration of the inclined surfaces I1 to I4 of the second region 13b, the light flux incident on the inclined surfaces I1 and I2 is reflected twice, and then returns to the incident direction as seen from the radial direction as shown in FIG. However, when viewed from the circumferential direction, the light is reflected in the outer diameter direction as shown in FIG. On the other hand, the light beam incident on the inclined surface I3 is reflected twice, and then slightly reflected to the left as viewed from the radial direction. The light beam incident on the inclined surface I4 is reflected twice, and then slightly reflected to the right as viewed from the radial direction.

【００２４】このように、３方向に分割された光束はレ
ンズ１２の受光側を通って、受光素子部１５に到達し、
受光素子部１５の３個のフォトディテクタ１５ａ〜１５
ｃはそれぞれの光量を検出する。即ち、第２領域１３ｂ
の格子とその面上に結像した干渉パターン像との位相関
係に基づく光束が、３方向に反射偏向されてそれぞれフ
ォトディテクタ１５ａ〜１５ｃに入射する。As described above, the luminous flux split in three directions passes through the light receiving side of the lens 12 and reaches the light receiving element unit 15.
Three photodetectors 15a to 15 of the light receiving element unit 15
c detects each light amount. That is, the second area 13b
A light beam based on the phase relationship between the grating and the interference pattern image formed on the surface is reflected and deflected in three directions and enters the photodetectors 15a to 15c, respectively.

【００２５】ここで、光学スケール１３が回転すると、
各フォトディテクタ１５ａ〜１５ｃで検出される光量が
変化する。第２領域１３ｂの格子位置と干渉パターン像
の位置の相対的変位に応じて、各フォトディテクタ１５
ａ〜１５ｃに入射する光量バランスが変化し、その結果
として光学スケール１３が反時計廻りに回転すると、従
来例と同様に図１４に示すような光学スケール１３の回
転に伴う光量変化が得られる。Here, when the optical scale 13 rotates,
The amount of light detected by each of the photodetectors 15a to 15c changes. Each photodetector 15 is changed according to the relative displacement between the lattice position of the second area 13b and the position of the interference pattern image.
When the balance of the amount of light incident on a to 15c changes and, as a result, the optical scale 13 rotates counterclockwise, a change in the amount of light accompanying rotation of the optical scale 13 as shown in FIG.

【００２６】図４は第２の実施例の第２領域１３ｂの格
子断面形状を示し、Ｖ溝の傾斜面Ｉ１とＩ２のなす角度
θ１が９０度からずれている。なお、傾斜面Ｉ３とＩ４
のなす角度θ２は第１の実施例と同様に９０度よりも少
し大きい角度である。また、受光素子部１５は４個のフ
ォトディテクタ１５ａ、１５ａ’、１５ｂ、１５ｂ’か
ら構成されている。なお、第２領域１３ｂの溝はＷ形状
に限らず、４以上の方向に光束を分割する形状であれば
よい。また、Ｖ溝の傾斜面Ｉ１、Ｉ２のなす角度θ２
は、本実施例では９０度よりも僅かに大きくなっている
が、９０度よりも小さくしても同様の機能を実現するこ
とができる。FIG. 4 shows the lattice sectional shape of the second region 13b of the second embodiment, in which the angle θ1 between the inclined surfaces I1 and I2 of the V-groove is shifted from 90 degrees. Note that the inclined surfaces I3 and I4
Is an angle slightly larger than 90 degrees as in the first embodiment. Further, the light receiving element section 15 is composed of four photodetectors 15a, 15a ', 15b and 15b'. The groove of the second region 13b is not limited to the W shape, but may be any shape that divides a light beam in four or more directions. The angle θ2 formed by the inclined surfaces I1 and I2 of the V-groove
Is slightly larger than 90 degrees in this embodiment, but the same function can be realized even if it is smaller than 90 degrees.

【００２７】このような構成により、左側の傾斜面Ｉ１
に入射した光束と、右側の傾斜面Ｉ２に入射した光束は
左右に分離され、また傾斜面Ｉ３、Ｉ４に入射した光束
は更に外側に分割される。即ち、凹面ミラー１４から反
射してきた光束は、第２領域１３ｂの溝で４方向に反射
される。この４方向に分割された光束はレンズ１２を通
って受光素子部１５に到達し、受光素子部１５のフォト
ディテクタ１５ａ、１５ａ’、１５ｂ、１５ｂ’にそれ
ぞれ配分されて受光される。With such a configuration, the left inclined surface I1
And the light beam incident on the right inclined surface I2 are separated into left and right, and the light beams incident on the inclined surfaces I3 and I4 are further split outward. That is, the light flux reflected from the concave mirror 14 is reflected in four directions by the grooves in the second area 13b. The light beams divided in the four directions reach the light receiving element portion 15 through the lens 12, and are distributed to and received by the photodetectors 15a, 15a ', 15b, and 15b' of the light receiving element portion 15, respectively.

【００２８】図５(a) は各フォトディテクタ１５ａ、１
５ａ’、１５ｂ、１５ｂ’の出力波形を示し、横軸はス
ケールと検出ヘッドの相対変位量ｘであり、縦軸は各フ
ォトディテクタ１５ａ、１５ａ’、１５ｂ、１５ｂ’の
出力Ａ、Ａ’、Ｂ、Ｂ’である。ここで、出力Ａと
Ａ’、出力ＢとＢ’はそれぞれ位相が１８０度異なって
いる。従って、出力ＡとＡ’の差及び出力ＢとＢ’の差
は、図５(b) に示すように０ボルトを中心にして振れる
波形となる。このような０ボルトを中心にして振れる波
形は、０ボルトを比較基準値としてパルスを作成すれ
ば、光量が変動しても幅や位相が変化しない常に安定し
たパルスを発生させることができる。FIG. 5A shows each photodetector 15a, 1
The output waveforms of 5a ', 15b, 15b' are shown, the horizontal axis is the relative displacement x between the scale and the detection head, and the vertical axis is the output A, A ', B of each photodetector 15a, 15a', 15b, 15b '. , B ′. Here, the outputs A and A 'and the outputs B and B' are different in phase by 180 degrees. Therefore, the difference between the outputs A and A 'and the difference between the outputs B and B' have waveforms swinging around 0 volt as shown in FIG. 5 (b). For such a waveform that swings around 0 volt, if a pulse is created using 0 volt as a comparison reference value, a stable pulse that does not change in width or phase even when the light amount fluctuates can be generated.

【００２９】図６は第３の実施例の光学スケール１３の
第１領域１３ａの格子断面形状を示す。第１の実施例で
は、Ｖ溝で２回全反射する光束を使用したが、本実施例
ではピッチＰで放射状に反射膜Ｃが形成されていて、こ
れによって第１の実施例と全く同じ機能を得ることがで
きる。FIG. 6 shows a lattice sectional shape of the first region 13a of the optical scale 13 according to the third embodiment. In the first embodiment, the light flux totally reflected twice by the V-groove is used. However, in this embodiment, the reflection film C is formed radially at the pitch P, thereby having the same function as the first embodiment. Can be obtained.

【００３０】図７は第４の実施例の光学スケール１３の
第１領域１３ａの格子断面形状を示す。この場合には、
４分の１波長だけ段差を有する溝を、ピッチＰで交互に
放射状に形成してその上に反射膜Ｃが形成されており、
光束はこの第１領域１３ａの格子で反射回折される。通
常の回折では、０次、±１次、±２次、‥‥の回折光が
生ずるが、０次では２分の１波長だけ位相の異なった光
束が混在しているために０次回折光は消滅し、その結果
として最も強度の強いのは±１次の回折光となる。FIG. 7 shows a lattice sectional shape of the first region 13a of the optical scale 13 according to the fourth embodiment. In this case,
Grooves having a step by a quarter wavelength are formed alternately and radially at a pitch P, and a reflection film C is formed thereon.
The light flux is reflected and diffracted by the grating of the first area 13a. In ordinary diffraction, 0th-order, ± 1st-order, ± 2nd-order, and ‥‥ -order diffracted light are generated. However, in the 0th-order, the 0th-order diffracted light is mixed because luminous fluxes having phases different by a half wavelength are mixed. It disappears, and as a result, the strongest is the ± 1st-order diffracted light.

【００３１】この±１次の回折光は凹面ミラー１４の面
上に集光し、集光した回折光は凹面ミラー１４で反射
し、光学スケール１３の第２領域１３ｂの格子に再結像
し、光学スケール１３面上に放射状の溝の像を結像す
る。第２領域１３ｂに達した光束は、これ以後第１の実
施例と同様の過程により変位量が検出される。The ± 1st-order diffracted light is condensed on the surface of the concave mirror 14, and the condensed diffracted light is reflected by the concave mirror 14 and re-images on the grating of the second area 13 b of the optical scale 13. Then, an image of a radial groove is formed on the surface of the optical scale 13. The displacement of the light flux that has reached the second area 13b is detected thereafter in the same manner as in the first embodiment.

【００３２】本実施例の場合には、第１領域１３ａを透
過する光束は殆ど０なので、Ｓ／Ｎ比が良好で強い信号
が得られ、更に第２領域１３ｂの格子上に結像する回折
像は、主に±１次の２光束から成るために焦点深度が深
くなる。従って、光学スケール１３と受光素子部１５の
相対的位置関係に必要な精度が緩和されて、組立が容易
になる。In the case of this embodiment, since the luminous flux passing through the first area 13a is almost 0, a strong signal is obtained with a good S / N ratio, and furthermore, a diffraction image formed on the grating of the second area 13b. Since the image is mainly composed of two light beams of ± 1 order, the depth of focus becomes deep. Accordingly, the precision required for the relative positional relationship between the optical scale 13 and the light receiving element 15 is relaxed, and the assembly is facilitated.

【００３３】図８は第５の実施例の光学スケール１３の
第１領域１３ａの格子断面形状を示し、第１の実施例の
格子形状とほぼ同様の形状をしているが、平坦部Ｆの幅
Ｆ１、Ｆ２が互いに２分の１波長だけ異なるので、Ｖ溝
の底のピッチ間隔Ｐ１、Ｐ２が互いに２分の１波長だけ
異なっている。これによって、Ｖ溝の両傾斜面から反射
してくる光束は、互いに２分の１波長だけ位相がずれて
いる。従って、第４の実施例と同様に０次回折光は消滅
し、第２領域１３ｂの格子上に結像する回折像は、主に
±１次の２光束から成り焦点深度が深くなる。FIG. 8 shows the lattice sectional shape of the first region 13a of the optical scale 13 of the fifth embodiment, which is almost the same as the lattice shape of the first embodiment. Since the widths F1 and F2 are different from each other by a half wavelength, the pitch intervals P1 and P2 at the bottom of the V-groove are different from each other by a half wavelength. As a result, the light beams reflected from both inclined surfaces of the V-groove are out of phase with each other by a half wavelength. Accordingly, as in the fourth embodiment, the 0th-order diffracted light disappears, and the diffraction image formed on the grating of the second region 13b mainly consists of ± 1st-order two light beams, and the depth of focus is deep.

【００３４】図９は第６の実施例の光学スケール１３の
第１領域１３ａの格子断面形状を示し、図８の第１領域
１３ａの平坦部Ｆ１、Ｆ２をなくしたものである。Ｖ溝
の両傾斜面から反射してくる光束が互いに２分の１波長
だけ位相がずれるように、Ｖ溝の底のピッチ間隔Ｐ１、
Ｐ２が１つおきに２分の１波長だけ異なっている。透過
損失する光束をほぼ０として、焦点深度の深い回折像が
第２領域１３ｂ上に結像する。なお、本実施例の場合は
第４の実施例のような反射膜Ｃを付する必要はない。FIG. 9 shows the lattice sectional shape of the first area 13a of the optical scale 13 of the sixth embodiment, wherein the flat portions F1 and F2 of the first area 13a of FIG. 8 are eliminated. The pitch interval P1 at the bottom of the V-groove is set such that the light beams reflected from both inclined surfaces of the V-groove are shifted in phase by half a wavelength from each other.
Every other P2 differs by a half wavelength. With the luminous flux passing through the transmission loss being substantially zero, a diffraction image with a large depth of focus is formed on the second area 13b. In this embodiment, it is not necessary to provide the reflection film C as in the fourth embodiment.

【００３５】図１０は第７の実施例の光学スケール１３
の第１領域１３ａの格子断面形状を示し、図８の第１領
域１３ａの平坦部Ｆ１、Ｆ２を１つおきになくしてあ
る。図９と同様にＶ溝の両傾斜面から反射してくる光束
は、互いに２分の１波長だけ位相がずれるように、Ｖ溝
の底のピッチ間隔Ｐ１、Ｐ２が１つおきに２分の１波長
だけ異なっている。透過損失する光束をほぼゼロとし
て、焦点深度の深い回折像が第２領域１３ｂ上に結像さ
れる。なお、本実施例の場合も第４の実施例のような反
射膜Ｃを付する必要はない。FIG. 10 shows an optical scale 13 according to the seventh embodiment.
8 shows the lattice cross-sectional shape of the first region 13a, where every other flat portion F1, F2 of the first region 13a in FIG. 8 is eliminated. Similarly to FIG. 9, the light beams reflected from the two inclined surfaces of the V-groove have a pitch interval P1 and P2 at the bottom of the V-groove every other half which is out of phase with each other by a half wavelength. They differ by one wavelength. With the luminous flux passing through the transmission loss almost zero, a diffraction image with a large depth of focus is formed on the second area 13b. In this embodiment, it is not necessary to provide the reflection film C as in the fourth embodiment.

【００３６】[0036]

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る光学式
エンコーダは、全ての部品が光学スケールの一方側に配
置されているので、軸方向の高さが小さくなる。また、
光学スケールの反対側に部品を固定する固定用アームも
原理的には不要となるので、光学スケールの外周より外
側にはみ出す部分をなくすこともでき、全体の径も小さ
くなって部品数も少なくて済む。このようなコンパクト
な構成により、コントラストの良好な変位情報を検出す
ることができる。As described above, in the optical encoder according to the present invention, since all parts are arranged on one side of the optical scale, the height in the axial direction is reduced. Also,
In principle, there is no need for a fixing arm to fix the parts on the opposite side of the optical scale.Therefore, it is possible to eliminate the part that protrudes outside the outer circumference of the optical scale, and the overall diameter is reduced and the number of parts is reduced. I'm done. With such a compact configuration, displacement information with good contrast can be detected.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図１】第１の実施例の光学式エンコーダの断面図であ
る。FIG. 1 is a cross-sectional view of an optical encoder according to a first embodiment.

【図２】第１領域の溝形状の説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of a groove shape of a first region.

【図３】第２領域の溝形状の説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram of a groove shape of a second region.

【図４】第２の実施例の第２領域の溝形状の説明図であ
る。FIG. 4 is an explanatory view of a groove shape in a second region of the second embodiment.

【図５】受光素子の出力波形及び処理信号のグラフ図で
ある。FIG. 5 is a graph showing an output waveform of a light receiving element and a processing signal.

【図６】第３の実施例の第１領域の溝形状の説明図であ
る。FIG. 6 is an explanatory diagram of a groove shape in a first region according to a third embodiment.

【図７】第４の実施例の第１領域の溝形状の説明図であ
る。FIG. 7 is an explanatory diagram of a groove shape in a first region according to a fourth embodiment.

【図８】第５の実施例の第１領域の溝形状の説明図であ
る。FIG. 8 is an explanatory diagram of a groove shape in a first region according to a fifth embodiment.

【図９】第６の実施例の第１領域の溝形状の説明図であ
る。FIG. 9 is an explanatory diagram of a groove shape of a first region according to a sixth embodiment.

【図１０】第７の実施例の第１領域の溝形状の説明図で
ある。FIG. 10 is an explanatory diagram of a groove shape in a first region according to a seventh embodiment.

【図１１】従来例の光学式エンコーダの光学系の斜視図
である。FIG. 11 is a perspective view of an optical system of a conventional optical encoder.

【図１２】断面図である。FIG. 12 is a sectional view.

【図１３】格子の溝形状の説明図である。FIG. 13 is an explanatory diagram of a groove shape of a lattice.

【図１４】フォトディテクタの信号出力のグラフ図であ
る。FIG. 14 is a graph showing a signal output of a photodetector.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１１ 発光素子 １２ レンズ １３ 光学スケール １４ 凹面ミラー １５ 受光素子部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Light emitting element 12 Lens 13 Optical scale 14 Concave mirror 15 Light receiving element part

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三浦 泰 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 高山 学 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 Ｆターム(参考） 2F103 BA00 BA43 CA01 CA02 CA03 CA04 CA08 DA12 DA13 EA02 EA05 EA12 EA15 EB02 EB04 EB06 EB12 EB16 EB32 EC04 EC11 ED01 FA01  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Yasushi Yasushi 3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo Inside Canon Inc. (72) Inventor Manabu Takayama 3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo Canon F term (reference) 2F103 BA00 BA43 CA01 CA02 CA03 CA04 CA08 DA12 DA13 EA02 EA05 EA12 EA15 EB02 EB04 EB06 EB12 EB16 EB32 EC04 EC11 ED01 FA01

Claims (13)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】 基板上に周期的に配設した格子部を有す
る相対移動可能な光学スケール上の第１領域に光照射手
段からの光束を入射し、前記第１領域の格子部で反射回
折した回折光を反射しかつ集光して前記光学スケールの
第２領域に入射し、該第２領域の格子部を介した光束を
受光手段で受光することにより、前記光学スケールの変
位情報を検出することを特徴とする光学式エンコーダ。1. A light beam from a light irradiating means is incident on a first region on a relatively movable optical scale having a grating portion periodically arranged on a substrate, and reflected and diffracted by the grating portion of the first region. The displacement information of the optical scale is detected by reflecting and condensing the diffracted light, entering the second area of the optical scale, and receiving a light beam passing through the grating portion of the second area by a light receiving unit. An optical encoder, comprising: 【請求項２】 前記第１領域は反射部位と透過部位の周
期構造を有し、前記第２領域は各部位の各面から異なる
方向に光束を反射することにより波面分割を実行する請
求項１に記載の光学式エンコーダ。2. The first area has a periodic structure of a reflection part and a transmission part, and the second area performs wavefront division by reflecting a light beam from each surface of each part in a different direction. The optical encoder according to 1. 【請求項３】 前記第１領域は平坦部位とＶ溝形状部位
の周期構造を有し、前記第２領域は各部位の各面から異
なる方向に光束を出射することにより波面分割を実行す
る請求項１に記載の光学式エンコーダ。3. The first region has a periodic structure of a flat portion and a V-groove-shaped portion, and the second region executes wavefront division by emitting a light beam from each surface of each portion in a different direction. Item 2. The optical encoder according to item 1. 【請求項４】 前記第１領域は平坦部位とＶ溝形状部位
の周期構造を有し、前記第２領域は各部位の各面から異
なる４方向に光束を出射することにより波面分割を実行
する請求項１に記載の光学式エンコーダ。4. The first region has a periodic structure of a flat portion and a V-groove-shaped portion, and the second region performs wavefront division by emitting light beams from four different directions from each surface of each portion. The optical encoder according to claim 1. 【請求項５】 前記第１領域は反射光が周期的に２分の
１波長の光路差を持つ周期構造を有する請求項１に記載
の光学式エンコーダ。5. The optical encoder according to claim 1, wherein the first region has a periodic structure in which reflected light periodically has an optical path difference of a half wavelength. 【請求項６】 前記第１領域は平坦部位とＶ溝形状部位
の周期構造と、前記平坦部位の幅が１つおきに２分の１
波長だけ異なる周期構造とを有する請求項５に記載の光
学式エンコーダ。6. The first region has a periodic structure of a flat portion and a V-groove-shaped portion, and the width of the flat portion is reduced by half every other portion.
The optical encoder according to claim 5, wherein the optical encoder has a periodic structure that differs by a wavelength. 【請求項７】 前記第１領域はＶ溝形状部位の周期構造
と山部の高さが、１つおきに４分の１波長だけ異なる周
期構造を有する請求項５に記載の光学式エンコーダ。7. The optical encoder according to claim 5, wherein the first region has a periodic structure in which the height of the ridges differs from the periodic structure of the V-groove-shaped portion by every quarter wavelength. 【請求項８】 前記光学スケールとの間の相対変位情報
は相対的直動変位情報とした請求項１に記載の光学式エ
ンコーダ。8. The optical encoder according to claim 1, wherein the relative displacement information with respect to the optical scale is relative linear displacement information. 【請求項９】 前記光学スケールとの間の相対変位情報
は相対的回転変位情報とした請求項１に記載の光学式エ
ンコーダ。9. The optical encoder according to claim 1, wherein the relative displacement information with respect to the optical scale is relative rotational displacement information. 【請求項１０】 前記受光手段は前記第２領域の格子部
からの反射光を受光する請求項１に記載の光学式エンコ
ーダ。10. The optical encoder according to claim 1, wherein said light receiving means receives light reflected from a lattice portion of said second area. 【請求項１１】 前記第１領域の格子部で反射回折した
回折光は凹面ミラーで反射して前記第２領域に入射する
請求項１に記載の光学式エンコーダ。11. The optical encoder according to claim 1, wherein the diffracted light reflected and diffracted by the grating section of the first area is reflected by a concave mirror and enters the second area. 【請求項１２】 請求項１〜１１の何れかの請求項に記
載の光学式エンコーダを使用して、回転角度及び位置及
び回転速度を検出する検出装置。12. A detection device for detecting a rotation angle, a position, and a rotation speed by using the optical encoder according to any one of claims 1 to 11. 【請求項１３】 請求項１２に記載の検出装置により回
転角度又は回転速度を制御する回転シリンダによって紙
や布から成る被印刷物を搬送するプリント装置。13. A printing apparatus which conveys a printing material made of paper or cloth by a rotary cylinder for controlling a rotation angle or a rotation speed by the detection device according to claim 12.