JPH03115920A - 零点位置検出装置 - 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】 ［技術分野］ 本発明は産業用工作機械や計測機械などの分野で物体の
移動や回転を計測するために取り付けられるエンコーダ
ーの零点位置の検出法に関するものである。

［従来の技術］ 従来より、ＮＯ工作機械等に、位置や角度を検出する変
位センサーとしてエンコーダーが使用されている。そし
て、この種のエンコーダーの高分解能化と高精度化が要
求されてきている。

本出願人は、スケールとして用いる回折格子の記録密度
を数ミクロン／ピッチにし、この回折格子で生じる一対
の回折光を取り出して干渉させ、干渉光を光電変換する
ことにより、回折格子の変位に応じた周期信号を得る、
高分解能且つ高精度な変位測定装置をいくつか考案して
いる。一方、この装置に組み込まれるスケールの零点位
置検出装置の検出分解能や精度も、回折格子の変位測定
装置の分解能や精度が要求される。この要求に沿って、
本件出願人は、第４図に示す零点位置検出装置を考案し
た。第４図の装置では、半導体レーザ１からの平行光束
を、ビームスプリッタ３によって一部反射して取り出し
、シリンドリカルレンズ６によって、矢印で示すスケー
ル７の移動方向のみにビーム断面形状を縮めて線状にし
、スケール７上の零点位置検出用線状パターン８の通過
予定地点Ｐに線状ビームを照射する。そして、そこに反
射体である線状パターン８が侵入すると、線状ビームが
パターン８で反射せしめられて、反射光が生じ、矢印方
向へのパターン８の移動に伴なって、反射光の進行領域
が連続的に変化する。そこで、反射光をシリンドリカル
レンズ６を再透過させてビーム断面形状をほぼ元通りに
戻し、更にビームスプリッタ３を透過させてから受光素
子Ｓ、、Ｓ２に入射させると、受光素子Ｓ１．Ｓ２のそ
れぞれに入射する光量のバランスがパターン８の移動に
伴なって連続的に変化する。

ここでは、２つの受光素子Ｓ１．Ｓ２の出力レベルが一
致したところでスケール７の零点位置を示す信号を発生
させるようにしている。

しかしながら、この装置では、ビームの照射領域（ビー
ムスポット）の線幅ｄｇと零点検出用の線状パターンの
線幅ｄＰの関係が２ｄＰ≧ｄＢ≧ｄＰを満たしている必
要があり、ビームが矢印方向に関して収斂しているため
に、シリンドリカルレンズ６からスケール７までの距離
の変動に敏感である。

従って、回折格子７０の変位を測定するための読み取り
ヘッドとスケール７とを分離して、それぞれを被検物体
に組み込んで使用する場合（組み込みタイプの装置）、
取り付は調整が容易ではない。そこで、本件出願人は、
あらかじめ２つのビームを用意しておき、それぞれを、
スケール上の互いにわずかにずらした位置に照射する装
置を提案している。

［発明の概要］ 本発明は、上述の複数のビームを利用する零点位置検出
装置の改良に関するものであり、簡単な光学系を備えた
零点位置検出装置の提供を目的としている。

この目的を達成するために、本発明の第１の形態の装置
は、零点位置検出用のパターンが形成されたスケールに
第１と第２の光束を照射する照射手段と、パターンで反
射した第１光束を光電変換して第１信号を出力する第１
光電変換手段と、パターンで反射した第２光束を光電変
換して第２信号を出力する第２光電変換手段と、第１及
び第２光電変換手段から出力された第１及び第２信号の
レベルの一致に応答して、スケールの零点位置を示す信
号を出力する零点検出手段とを有する零点位置検出装置
において、上記照射手段が光源と所定の稜線により分け
られた第１と第２の屈折面を備えたプリズム手段とを有
し、上記照射手段が、光源からの光束をプリズム手段の
稜線を介して第１及び第２部分に分け、第１部分を第１
屈折面で屈折せしめて上記第１光束として上記スケール
に斜入射させ、第２部分を第２屈折面で屈折せしめて上
記第２光束として上記スケールに斜入射させて、上記パ
ターンで反射した第１光束及び第２光束をプリズム手段
を介して上記第１及び第２光電変換手段に向けるように
、構成されている。

また、同様に、本発明の第２の形態の装置は、零点位置
検出用のパターンが形成されたスケールに第１と第２の
光束を照射する照射手段と、パターンで反射した第１光
束を光電変換して第１信号を出力する第１光電変換手段
と、パターンで反射した第２光束を光電変換して第２信
号を出力する第２光電変換手段と、第１及び第２光電変
換手段から出力された第１及び第２信号のレベルの一致
に応答して、スケールの零点位置を示す信号を出力する
零点検出手段とを有する零点位置検出装置において、上
記照射手段が光源と回折手段とを有し、上記照射手段が
、光源からの光束を回折手段で回折せしめて得られる正
負同次数の回折光を上記第１及び第２光束として上記ス
ケールに斜入射させて、上記パターンで反射した第１及
び第２光束を回折手段を介して上記第１及び第２光電変
換手段に向けるように構成されている。

本発明では、照明手段が上記の通り構成されているため
、複数のビームを使用してパターンの検出を行なうにも
関わらず、簡単な光学系で装置を構成できる。従って、
小型で安価な、組み込みタイプの変位測定装置の提供も
可能になる。また、本発明の装置は様々なタイプの変位
測定装置、例えば、磁気式や光学式のリニア或いはロー
タリータイプの各種エンコーダーに応用可能であり、前
述した、干渉光を利用して回折格子の変位を読取るタイ
プに限定されない。

本発明のいくつかの特徴と具体的形態は、後述する実施
例で明らかにされる。

［実施例］ 第１図は、本発明の一実施例を示す概略図である。

同図において、】はレーザーダイオード、２はコリメー
ターレンズ、３はハーフミラ−１４はプリズム、４１は
プリズム４０の稜線、４２．４３は稜線４１で分けられ
たプリズム４０の屈折面、６はシリンドリカルレンズ、
７は回折格子（不図示）が形成されたリニアスケール、
８は零点位置検出用のパターン、８１゜８２はパターン
８を構成する第１及び第２反射マーク、ＳＬ、Ｓ２は受
光素子、９はスケールに形成した回折格子を読み取る光
学系、１００は受光素子ｓ、。

Ｓ２からの信号に基づいてスケール７の零点位置を示す
信号を出力する零点検出手段である。レーザーｌから射
出した光束はコリメータレンズ２によって平行光束に変
換されハーフミラ−３に向かう。この光束はハーフミラ
−３で一部反射させられ、コリメーターレンズ２の光軸
と交わるよう設定されたプリズム４の稜線４１に向かい
、この稜線４１を中心に２つの屈折面によって２つの部
分に分けられ、互いに異なる２方向に進行する光束Ｒ，
，Ｒ２に分離される。また、稜線４１が延びる方向はス
ケール７の移動方向（矢印Ａ）と一致させている。次に
光束Ｒ，，Ｒ２はシリンドリカルレンズ６によって、そ
れぞれ矢印Ａ方向に縮められ、集光され反射マーク８１
．８２の通過予定位置ＰＩ、Ｐ２（矢印Ａ方向に関して
互いにほぼ同じ位置にある。）に斜入射させられ、位置
Ｐ、、Ｐ２にそれぞれ、矢印Ａと直交する方向に伸びた
線状のビームスポットを形成する。［このようなビーブ
スポットを形成するために、シリンドリカルレンズ６の
母線が矢印Ａの方向で直交する方向に向けられている。

さて、反射マーク８１．８２は、矢印Ａの方向に関して
、互いの位置をずらして形成してあり、各マークの形状
は、矢印Ａの方向と直交する方向に長手方向を有する短
形形状である。」このような反射マーク８１゜８２が位
置ＰＩ＋　Ｐ２にさしかかると、反射マーク８１が先に
位置Ｐ１に到達するので、光束Ｒ３が先に反射マーク８
１で反射されて反射光束Ｒ、Ｉ　　が生じ、続いて、反
射マーク８２が位置Ｐ２に到達して光束Ｒ２が反射マー
ク８２で反射し、反射光束Ｒ２が生じる。そして、光束
Ｒ１、Ｒ２′　はシリンドリカルレンズ６を再透過して
ほぼ元の光束断面形状に戻されて、更にプリズム４に再
入射する。

このとき往路で屈折面４１を透過した光束Ｒ１は、復路
では屈折面４２を透過して屈折せしめられ、往路で屈折
面４２を透過した光束Ｒ２は、復路では屈折面４１を透
過して屈折せしめられる。そして、この時、両光束Ｒ，
，Ｒ２はプリズム４の稜線４１からはずれた位置を通過
する。両光束Ｒ１Ｒ２は、プリズム４の２つの屈折面４
．１．４２がら互いに平行に射出しくプリズム４に最初
に入射した光とも平行）、ハーフミラ−３を透過して各
々受光素子Ｓ、、Ｓ２に入射する。受光素子Ｓ、、Ｓ２
は各々に入射した光束Ｒ，、Ｒ２を光電変換して、その
強度に応じた信号を出力する。これらの信号は互いに位
相がずれた信号であり、各々零点で検出手段１００に信
号線を介して入力される。零点検出手段１００はこれら
の信号のレベルの一致を判定して、これらの信号レベル
が一致した瞬間にスケール７の零点位置を示す零点信号
を発生させる。

これにより、スケール７の零点位置が検出されたことに
なる。

本実施例では、上述した様な方法で２つの光束Ｒ，，Ｒ
２をスケール７上へ照射するプリズム４を使用したため
、光学系の構成を極めて簡単にすることができた。尚、
第１図においては、光束Ｒ１゜Ｒ２９反射光束Ｒ，、Ｒ
２の光路を説明し易くするために、プリズム４とシリン
ドリカルレンズ６の矢印Ａ方向に関する半分の部分だけ
を図示した。

第１図に示した回折格子読み取り光学系９に関して簡単
に説明すると、この光学系９は、ビームスプリッタ−３
を透過した、コリメーターレンズ２からの平行光束を受
けて、スケール７上に形成した不図示の回折格子に向け
る。そして、回折格子で生じた正負同次数の回折光同志
を干渉させて干渉光を形成し、この干渉光を光検出器で
検出し、スケール７の変位に対応した電気信号に変換す
る。

この信号に基づいてスケール７の移動量が測定され、こ
の信号と、検出手段】００から出力される零点信号が不
図示の制御装置に入力されて、スケール７の位置が検出
できる。

第２図は、本発明の他の実施例を示す概略図であり、２
光束を生成する手段としてプリズムの代りに回折格子を
用いたものである。

第２図において、１は、レーザーダイオード、２はコリ
メーターレンズ、３はハーフミラ−１５は回折格子、６
は回折格子５の格子線及び矢印Ａ方向と直交する方向に
母線を向けたシリンドリカルレンズ、７はリニアスケー
ル、８は零点位置検出用のパターン、８１．２はパター
ン８を構成する反射マーク、ＳＩ＋８２は、受光素子、
９は回折格子読み取り光学系である。また、受光素子Ｓ
、、Ｓ２からの出力信号は、第１図で示した零点検出手
段１００に入力される。そして、本実施例の回折格子５
を除く他の部材の配置と機能は、第１図の装置と全（同
じである。

レーザーｌから射出した光束は、コリメーターレンズ２
によって平行光束に変換され、この光束がハーフミラ−
３で一部反射せしめられて回折格子５に入射する。回折
格子５は入射光束を回折して回折光Ｒ十、Ｒ−を生成す
る。この時、回折格子５からはＲ＋、Ｒ−以外の他の次
数の回折光も発生するが、マスク等の遮光手段で、これ
らの不要な他の次数の回折光は遮光する。

回折光Ｒ＋、Ｒ−はシリンドリカルレンズ６によって、
それぞれ、矢印Ａ方向に縮められ（集光され）、反射マ
ーク８１．８２の通過予定位置ＰＩ　＋Ｐ２に入射させ
られ、位置Ｐ、、Ｐ２に、それぞれが矢印Ａ方向と直交
する方向に伸びた線状のビームスポットを形成する。反
射マーク８１．８２が位置Ｐ１．Ｒ２にさしかかると、
反射マーク８１が先に位置ＰＩに到達するので、回折光
Ｒ−が先に反射マーク８１で反射されて反射光束Ｒ−が
生じ、続いて、反射マーク８２が位置Ｐ２に到達して回
折光子が反射マーク８２で反射されて反射光束Ｒ′十が
生じる。光束Ｒ＋’　、Ｒ−はシリンドリカルレンズ６
を再透過してほぼ元の光束断面形状に戻されて、更に回
折格子５に再入射する。このとき往路で＋１次回折した
光束Ｒ＋’　　は、復路で回折格子５により−１次回折
し、往路で一１次回折した光束Ｒは、復路で回折格子に
より＋１次回折する。そうすると、両光束Ｒ＋’、Ｒ−
は、回折格子５から、回折格子５に最初に入射した光束
に対して各々略平行に射出し、ハーフミラ−３を透過し
て、受光素子Ｓ、、Ｓ２に入射する。

従って、第１図に示した実施例同様、受光素子Ｓ、、Ｓ
２からの出力信号に基づいて、零点検出手段１００から
零点信号が出力せしめられる。

第３図は、本発明の更なる実施例を示す概略図である。

本実施例は第２図で２光束を生成する手段として利用し
た回折格子を、例えば読み取り光学系９用の光束を取り
出すビームスプリッタとしても利用するものである。第
３図において、１はレーザーダイオード、２はコリメー
ターレンズ、５は光反射部と透光部を交互に並べて成る
回折格子、６はシリンドリカルレンズ、７はリニアスケ
ール、８は零点位置検出用パターン、８１．８２はパタ
ーン８を構成する反射マーク、Ｓ、、Ｓ２は受光素子、
９は回折格子読み取り光学系である。また、受光素子Ｓ
ｌ。

Ｓ２からの出力信号は、第１図で示した零点検出手段１
００に入力される。そして、本実施例の回折格子５を　
除く他の部材の配置と機能は、第２図の装置と全く同じ
である。

レーザー１から射出した光束は、コリメーターレンズ２
によって平行光束に変換され、この光束が回折格子５で
一部反射回折せしめられて、回折格子５が回折光Ｒ＋、
Ｒ−を生成する。この時、回折格子５からはＲ＋、Ｒ−
以外の他の次数の回折光も発生するが、マスク等の遮光
手段で、これらの不要な他の次数の回折光は遮光する。

回折光Ｒ十、Ｒ−は、シリンドリカルレンズ６によって
、それぞれ、矢印入方向に縮められ（集光され）、反射
マーク８１．８２の通過予定位置Ｐ、。

Ｐ２に入射させられ、位置ｐ、、ｐ２に、それぞれが、
矢印Ａ方向と直交する方向に延びた線状のビームスポッ
トを形成する。反射マーク８１．８２が位置Ｐ１．Ｒ２
にさしかかると、反射マーク８１が先に位置ＰＩに到達
するので、回折光Ｒ−が先に反射マーク８１で反射され
て反射光束Ｒ−が生じ、続いて、反射マーク８２が位置
Ｐ２に到達して回折光Ｒ十が反射マーク８２で反射され
て反射光束Ｒ十’が生じる。光束Ｒ十’、Ｒ−はシリン
ドリカルレンズ６を再透過してほぼ元の光束断面形状に
戻されて、更に回折格子５に再入射する。このとき往路
で＋１次反射回折した光束Ｒ＋’　は、復路で回折格子
５により一１次透過回折し、往路で−１次反射回折した
光束Ｒ−は、復路で回折格子５により＋１次透過回折す
る。そうすると、両光束Ｒ＋’　、Ｒ−は、回折格子５
から、回折格子５から最初に射出した光束に対して各々
略平行に射出し、受光素子Ｓ　Ｉ　＋Ｓ２に入射する。

従って、第１図と第２図に示した実施例同様、受光素子
Ｓ、、Ｓ２からの出力信号に基づいて、零点検出手段１
００から零点信号が出力せしめられる。

第３図において、コリメーターレンズ２からの平行光束
のうち、回折格子５を透過する光束は読み取り光学系９
に向けられるが、この時、複数の透過回折光が生じる。

本実施例では、回折格子５からの零次透過回折光（直進
する光）を選択的に光学系９に入射させるために、遮光
マスク１０で、高次の回折光を遮光している。これによ
り、光学系９に不要な光（ゴースト光）が入射しないの
で、光学系９による回折格子の読み取り精度が向上する
。

以上水した第２図及び第３図の実施例でも、各々上述し
た様な方法で２つの光束Ｒ＋、Ｒ−をスケール７上へ照
射する回折格子５を使用したため、光学系の構成を極め
て簡単にすることができた。

尚、第２図及び第３図においても、光束Ｒ＋。

Ｒ−１反射光束Ｒ十′、Ｒ−の光路を説明し易（するた
めに、第２図では回折格子５とシリンドリカルレンズ６
、第３図ではシリンドリカルレンズ６の矢印Ａ方向に関
する半分の部分だけを図示している。

以上説明した各実施例では、ハーフミラ−３若しくは回
折格子５を介して、レーザー１へ達する光路とは異なる
光路に受光素子Ｓｌ＋３２を設けているが、２つの反射
光の光路がレーザー１からの光束の光路に対してずれる
ように照射手段（１〜６）が構成されているので、受光
素子１４．１５をレーザー１と、ハーフミラ−３若しく
は回折格子５との間に配置することも可能である。この
時、レーザーｌを零点位置検出のためだけに使用し、読
み取り光学系９が別途能の光源（レーザー）を搭載して
いれば、例えばハーフミラ−３を全反射鏡にすることが
でき、光の有効利用が図れる。

また、パターン８に関しても、マーク８１．８２の２つ
のマークを用いず、例えば、マーク８１だけをスケール
７上に形成し、このマークをスケール上に投射した、ス
ケールの移動方向に並ぶ２つの線状ビームで検出するよ
う照射手段を構成しても良い。

また、シリンドリカルレンズ６の代りに、格子ピッチを
徐々に変化させた回折格子を利用した板状のフレネルレ
ンズや板状ホログラムレンズを用いることもでき、この
場合、このレンズを２光束生成用のプリズム４や回折格
子５に重ねること（例えば接着して）で光学系をコンパ
クトに出来る。また、プリズム４の稜線は、スケール５
側を向いていても良い。

また、上記各実施例では、光学式のスケールを対象とし
ていたが、本発明は、前述したように、様々なタイプの
エンコーダーに応用できるので、スケールとして磁化パ
ターンが記録された磁気式スケールを対象としても良い
。この場合、磁気式スケールの零点位置を光学的に検出
することになる。

［発明の効果］ 以上、本発明では、複数のビームを使用してパターンの
検出を行なうにも関わらず、簡便な光学系で装置を構成
できる。従って、小型で、安価な、組み込みタイプの変
位測定装置の提供も可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す概略図。 第２図及び第３図は本発明の他の実施例を示す概略図。 第４図は従来の零点位置検出装置を示す説明図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）零点位置検出用のパターンが形成されたスケール
   に第１と第２の光束を照射する照射手段と、パターンで
   反射した第１光束を光電変換して第１信号を出力する第
   １光電変換手段と、パターンで反射した第２光束を光電
   変換して第２信号を出力する第２光電変換手段と、第１
   及び第２光電変換手段から出力された第１及び第２信号
   のレベルの一致に応答して、スケールの零点位置を示す
   信号を出力する零点検出手段とを有する零点位置検出装
   置において、上記照射手段が光源と所定の稜線により分
   けられた第１と第２の屈折面を備えたプリズム手段とを
   有し、上記照射手段が、光源からの光束をプリズム手段
   の稜線を介して第１及び第２部分に分け、第１部分を第
   １屈折面で屈折せしめて上記第１光束として上記スケー
   ルに斜入射させ、第２部分を第２屈折面で屈折せしめて
   上記第２光束として上記スケールに斜入射させて、上記
   パターンで反射した第１光束及び第２光束をプリズム手
   段を介して上記第１及び第２光電変換手段に向けるよう
   に、構成されていることを特徴とする零点位置検出装置
   。
2. （２）零点位置検出用のパターンが形成されたスケール
   に第１と第２の光束を照射する照射手段と、パターンで
   反射した第１光束を光電変換して第１信号を出力する第
   １光電変換手段と、パターンで反射した第２光束を光電
   変換して第２信号を出力する第２光電変換手段と、第１
   及び第２光電変換手段から出力された第１及び第２信号
   のレベルの一致に応答して、スケールの零点位置を示す
   信号を出力する零点検出手段とを有する零点位置検出装
   置において、上記照射手段が光源と回折手段とを有し、
   上記照射手段が、光源からの光束を回折手段で回折せし
   めて得られる正負同次数の回折光を上記第１及び第２光
   束として上記スケールに斜入射させて、上記パターンで
   反射した第１及び第２光束を回折手段を介して上記第１
   及び第２光電変換手段に向けるように、構成されている
   ことを特徴とする零点位置検出装置。