JPH10104021A

JPH10104021A - 光学式エンコーダ

Info

Publication number: JPH10104021A
Application number: JP25614296A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Kondo; 秀幸近藤; Toshiaki Shimodaira; 俊朗下平
Original assignee: Sankyo Seiki Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Nidec Instruments Corp
Priority date: 1996-09-27
Filing date: 1996-09-27
Publication date: 1998-04-24

Abstract

(57)【要約】【課題】集光方式の光学式エンコーダにおいて、スケ
ール板を精度良く簡単に製造でき、分解能の変更も簡単
に行うことのできる構成を提案すること。【解決手段】光学式エンコーダ１０のスケール板４０
は、ガラス基板４１を有し、その表面４１１に、反射率
の異なる等幅の第１の反射部４２と第２の反射部４３が
交互に形成されている。例えば、第１の反射部は全反射
膜であり、第２の反射部はハーフミラー膜であり、出射
光による光スポットの形成位置に応じて光検出器での受
光量が正弦波状に変化する。この受光量変化に基づきエ
ンコードパルス信号を形成できる。光軸方向に段差のあ
る２層の反射部を用いて正弦波状に変化する信号を形成
する場合に比べて、精度良く、しかも簡単にスケール板
を製造できる。また、反射部の幅と光スポットの径との
関係が変わってもデューティー比が５０％のエンコード
パルス信号を得ることができるので、エンコーダ分解能
の変更も簡単に行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、移動部材の移動方
向および移動位置を光学的に検出する光学式エンコーダ
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１０には一般的に用いられる光学式エ
ンコーダの原理を示してある。この光学式エンコーダ１
０Ｂは、レーザダイオード（ＬＥＤ）などの発光素子７
とフォトダイオード（ＰＤ）等の光検出器８との間に、
スリットが一定のピッチで形成されている移動スリット
板６が配置され、この移動スリット板６と光検出器８と
の間には固定スリット板９が配置されて構成となってい
る。移動部材（図示せず）に取り付けた移動スリット板
６が移動すると、発光素子７と光検出器８との間の光路
が間欠的に遮られる。この結果、光検出器８からは、移
動スリット板６が取り付けられている移動部材の移動状
態に応じた出力波形信号が出力される。この出力波形信
号を信号処理回路８Ａで波形整形することによりエンコ
ードパルス信号が得られる。

【０００３】光学式エンコーダでは、移動方向を検出す
るために位相が１／４周期ずれた第１および第２のエン
コードパルス信号（Ａ相信号およびＢ相信号）を得る必
要がある。このために、発光素子７と光検出器８を（ｎ
＋１／４）周期（ｎは整数）ずらして２組配置して、２
種類のエンコードパルス信号を得るようにしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ここで、光ピックアッ
プなどに採用されている光学系を利用して、分解能の高
い光学式エンコーダを実現することができる。

【０００５】図７には本願人が提案している集光方式の
光学式エンコーダの全体構成を示してある。この図に示
すように、光学式エンコーダ１０Ａは、スケール板４０
Ａと、このスケール板４０Ａに光を集束させると共にス
ケール板４０Ａからの戻り光を検出する２つの光学ユニ
ット２０Ａおよび３０Ａと、これらの光学ユニット２０
Ａおよび３０Ａによる戻り光の受光量に基づき、位相が
１／４周期ずれた２つのエンコードパルス信号を形成す
るパルス信号形成回路５０Ａとを有している。

【０００６】スケール板４０Ａはガラス基板４１Ａを有
し、この裏面には、基板４１Ａの表面の側から第１の反
射板４２Ａおよび第２の反射板４３Ａがこの順序で形成
されている。第１の反射板４２Ａは光を反射する一定幅
の反射部４２１および光を透過する一定幅の透過部４２
２が等間隔（周期λ）で交互に形成されている。第１の
反射板４２Ａの反射部４２１に対して、第２の反射板４
３Ａの反射面は後退した位置に形成されている。これら
の間の光路方向の段差は光学ユニット２０Ａからの出射
光の波長の１／４に設定されている。このため、反射部
４２１で反射した光と第２の反射板４３Ａで反射した光
は位相が１８０°ずれることになり、互いに打ち消し合
うことになる。

【０００７】第１および第２の光学ユニット２０Ａおよ
び３０Ａの配置関係は、次のように設定されている。す
なわち、第１の光学ユニット２０Ａからの出射光がスケ
ール板４０Ａに対して光スポットとして集束する位置Ａ
と、第２の光学ユニット３０Ａからの出射光がスケール
板４０Ａに対して光スポットとして集束する位置Ｂとの
間隔ｄは、反射部４２１の形成周期をλとした場合に、ｄ＝（ｎ±１／４）λ （ｎは整数）・・・・（１）を満たすように設定されている。第１および第２の光学
ユニット２０Ａおよび３０Ａは、この配置関係を保持し
た状態で、ガイドシャフト２に取り付けられている。

【０００８】第１および第２の光学ユニット２０Ａおよ
び３０Ａは同様な構成なので、第１の光学ユニット２０
Ａの構成のみを以下に説明する。

【０００９】第１の光学ユニット２０Ａはガイドシャフ
ト２に取り付けられたハウジング２９Ａを備えている。
このハウジング２９Ａの内部には発光素子２１Ａからの
出射光をスケール板４０Ａに集光するための往路と、ス
ケール板４０Ａからの戻り光を発光素子２１Ａとは異な
る方向に配置された光検出器２７Ａに導くための復路と
を備えた光学系が構成されている。

【００１０】往路には、発光素子２１Ａからスケール板
４０Ａに向かってハーフミラー２３Ａおよび対物レンズ
２５Ａがこの順序で配置されている。復路には、スケー
ル板４０Ａから光検出器２７Ａに向かって対物レンズ２
５Ａおよびハーフミラー２３Ａがこの順序で配置されて
いる。ここで、ハーフミラー２３Ａは発光素子２１Ａか
らの出射光とスケール板４０Ａからの戻り光を分離する
ように反射面２３１が所定の角度に設定されている。

【００１１】第１の光学ユニット２０Ａは、対物レンズ
２５によってスケール板４０Ａに集束する光スポットの
直径が第１の反射板４２Ａの反射部４２１（透過部４２
２）の幅とほぼ等しくなるように調整されている。な
お、図８に示すように、光スポットの直径２ｒを第１の
反射板４２Ａの反射部４２１の幅Ｗより狭くしておいて
も良い。この場合、たとえば、光スポット１００の単位
面積当たりの光強度が均一であるときには、光スポット
１００のビーム径ｒを反射部４２１の幅Ｗの０．８倍程
度に調整すればよい。また、光スポット１００の単位面
積当たりの光強度が不均一であるときには、反射部４２
１からの戻り光の光量と、第２の反射板４３Ａからの戻
り光の光量がほぼ等しくなるような関係に調整すればよ
い。

【００１２】この構成の第１の光学ユニット２０Ａにお
いて、発光素子２１Ａからの出射光は、対物レンズ２５
Ａによってスケール板４０Ａに光スポットとして集束す
る。スケール板４０Ａで反射した出射光の戻り光は復路
に導かれる。

【００１３】復路に導かれた戻り光は対物レンズ２５Ａ
を介してハーフミラー２３Ａに戻る。ハーフミラー２３
Ａに戻った戻り光の一部はハーフミラー２３Ａの反射面
２３１によって反射されて、ほぼ９０度進行方向を変え
られ、発光素子２１Ａからの出射光と分離される。ハー
フミラー２３Ａによって進行方向が変えられた戻り光は
光検出器２７Ａに導かれる。光検出器２７Ａは、フォト
ダイオード（ＰＤ）などの受光素子を備えており、この
受光素子によって戻り光が検出される。

【００１４】ここで、第１の反射板４２Ａと第２の反射
板４３Ａとの段差は、前述のように、出射光の波長の１
／４に設定されている。従って、光スポットによる反射
部４２１に対する照射面積と第２の反射板４３Ａに対す
る照射面積が等しい場合には、反射部４２１からの戻り
光と第２の反射板４３Ａからの戻り光との間の打ち消し
合いが最大となるので、光検出器の受光量が最小とな
る。照射面積が一方の側の方が大きくなるのに伴って他
方の側が小さくなるので、これに伴って双方からの戻り
光の打ち消し合いの程度が低下して、光検出器の受光量
が増加する。そして、一方の側の照射面積が最大となっ
たときに、光検出器の受光量が最大となる。

【００１５】従って、光学ユニット２０Ａとスケール板
４０Ａが相対的に移動すると、光検出器２７Ａの出力波
形Ｐ（ａ）は、図９（Ａ）に示すような正弦波形とな
る。この出力波形Ｐ（ａ）をパルス信号形成回路５０Ａ
で処理することにより、矩形波状の第１のエンコードパ
ルス信号Ｖａが形成される。すなわち、パルス信号形成
回路５０Ａは、出力波形Ｐ（ａ）の中点レベルを通る定
電位の基準電位Ｖｏが予め設定され、この基準電位Ｖｏ
と出力波形Ｐ（ａ）を比較するように構成されている。
出力波形Ｐ（ａ）を基準電位Ｖｏと比較することによ
り、ハイレベルとローレベルの比（デューティー比）が
５０％の第１のエンコードパルス信号（Ａ相信号）Ｖａ
が得られる。

【００１６】なお、第１の光学ユニット２０Ａと同様な
構成の第２の光学ユニット３０Ａからも光検出器３７Ａ
から正弦波状の出力波形Ｐ（ｂ）が得られる。第２の光
学ユニット３０Ａからの出射光がスケール板４０Ａに光
スポットとして集束する位置Ｂと第１の光学ユニット２
０Ａからの出射光がスケール板４０Ａに光スポットとし
て集束する位置Ａとの間隔ｄが式（１）を満たすよう
に、第１および第２の光学ユニット２０Ａおよび３０Ａ
が配置されている。従って、第２の光学ユニット３０Ａ
からの出力波形Ｐ（ｂ）の位相は出力波形Ｐ（ａ）に対
して１／４周期ずれる。すなわち、第２の光学ユニット
３０Ａからの出力波形Ｐ（ｂ）に基づいてパルス信号形
成回路５０Ａによって形成される第２のエンコードパル
ス信号Ｖｂの位相は第１のエンコードパルス信号Ｖａと
は１／４周期ずれる。

【００１７】この結果、位相が１／４周期ずれた第１お
よび第２のエンコードパルス信号ＶａおよびＶｂを得る
ことができ、これらのパルス信号ＶａおよびＶｂに基づ
いてスケール板４０Ａの移動方向、移動位置等を検出で
きる。

【００１８】ここで、この構成の光学式エンコーダ１０
Ａにおいて、スケール板４０Ａに形成される光スポット
にフォーカシングエラーが発生すると、精度の高いエン
コードパルス信号を得ることができない。そこで、オー
トフォーカス機構を搭載することが望ましい。例えば、
光検出器３７Ａの手前の光路上にシリンドリカルレンズ
を配置して、戻り光に非点収差を与えて、光検出器３７
Ａの受光面に形成される戻り光の光スポット形状に基づ
き、集光レンズの光軸方向の位置を微調整してフォーカ
シングエラーを回避すればよい。

【００１９】このように構成した光学式エンコーダ１０
Ａにおいては、次のような解決すべき課題がある。

【００２０】第１に、第１および第２の反射板４２Ａ、
４２Ｂの段差が光の波長の１／４となることを利用して
Ａ相およびＢ相のエンコードパルス信号ＶａおよびＶｂ
を得ている。この構成では、第１の反射板４２Ａと第２
の反射板４３Ａと間の段差を精度良く形成しないと、目
標とする特性が得られない。大型のスケール板において
は、上記段差を精度良く形成することが困難であり、大
型のスケール板を必要とする測長機等の機器において
は、精度の高いエンコードパルス信号が得られないおそ
れがある。

【００２１】第２に、図８を参照して説明したように、
光検出器の受光量が最小になるのは、第１および第２の
反射板４２Ａ、４２Ｂからの反射光の光量が等しくなる
ときである。従って、反射板の反射部の幅あるいはその
周期λと、そこに形成される光スポット径とは予め設定
されている一定の関係に保持する必要がある。この関係
を満たさないと、希望する精度の出力が得られない等の
弊害が発生する。また、一方の寸法を変更すると、それ
に伴って他方の寸法も変更する必要が生じてしまう。

【００２２】例えば、図８において、光スポット径に比
べて第１の反射板４２Ａの反射部４２１の幅を広くした
場合には、光スポット１００の全体が、第１の反射板４
２Ａの反射部４２１に形成されている時、および第２の
反射板４３Ａに形成されている時に、光検出器の受光量
が最大となる。また、受光量が最大となっている期間が
長くなり、その期間では検出器出力の波形は平坦なもの
となる。この結果、図９（Ｂ）から分かるように、光検
出器２７Ａおよび３７Ａから得られる出力波形Ｐ（ａ）
およびＰ（ｂ）を、出力波形Ｐ（ａ）およびＰ（ｂ）の
中点を通る基準電圧Ｖｏと比較することによって得られ
る第１および第２のエンコードパルス信号ＶａおよびＶ
ｂのデューティー比は５０％にはならなくなってしま
う。このような不具合を解消するためには、光学系を設
計しなおして、光スポットの径を広げる必要がある。

【００２３】また、例えば、分解能を高めるために、第
１および第２の反射板の反射部の幅を狭くすると、それ
に合わせて、光スポットの径も小さくする必要がある。
すなわち、光学ユニットの光学系を設計しなおす必要が
生ずるので不便であり、コストアップにも繋がってしま
う。

【００２４】なお、スケール板４０Ａに単一の反射板の
みを形成することが考えられる。この場合には、反射板
の反射部の間の透過部に光スポットが位置している間は
光検出器の受光量は零となる。これでは、オートフォー
カス機能を働かせることができくなる。従って、オート
フォーカス機能を備えた光学式エンコーダでは、常に光
検出器が戻り光を受光できるようにする必要がある。

【００２５】本発明の課題は、上記の弊害を解消するこ
とのできる集光方式の光学式エンコーダを提案すること
にある。

【００２６】

【課題を解決するための手段】本発明の光学式エンコー
ダでは、反射率の異なる２種類の反射部をスケール板に
形成することによって、上記の課題を解決するようにし
ている。

【００２７】すなわち、本発明の光学式エンコーダは、
交互に配列された複数の第１および第２の反射部を備え
たスケール板と、このスケール板に光を集束させると共
に前記スケール板からの戻り光を検出する光学ユニット
と、この光学ユニットからの前記戻り光の受光量から前
記スケール板の位置情報に基づいたエンコードパルス信
号を形成するパルス信号形成手段とを有し、前記光学ユ
ニットは、レーザ光源と、前記レーザ光源からの出射光
を光スポットとして前記スケール板に集束させる集光レ
ンズと、前記スケール板からの前記戻り光を検出する光
検出器とを備えた構成としてある。ここで、前記スケー
ル板の前記第１および第２の反射部を、前記出射光に対
する反射率が相互に異なるものとしたことを特徴として
いる。

【００２８】本発明の光学式エンコーダでは、第１の反
射部からの戻り光と第２の反射部からの戻り光とでは光
量が異なるので、スケール板における光スポットの形成
位置に応じて戻り光の光量が変化する。従って、この光
量の変化に基づきエンコードパルス信号が形成される。
第１および第２の反射部の反射率を異なるものにするこ
とは、例えば、これらの反射部の形成材料を選択するこ
とにより簡単に実現でき、また、反射率の設定も簡単に
制御できる。従って、本発明によれば、目標とする特性
の大型のスケール板を簡単に、しかも精度良く製造でき
るので、測長機などのように大型のスケール板を必要と
する機器においても、精度の良いエンコードパルス信号
を形成可能な光学式エンコーダを実現できる。

【００２９】本発明においては、前記スケール板に形成
される前記第１の反射部を高反射ミラーとし、前記第２
の反射部をハーフミラーとする構成を採用できる。

【００３０】また、スケール板としては、前記出射光に
対して透明な透明基板と、この透明基板の表面に所定の
周期で形成された前記第１の反射部としての高反射膜
と、この高反射膜が形成された前記透明基板の表面を覆
う状態に形成された前記第２の反射部としてのハーフミ
ラー膜とを備えた構成のものを採用できる。

【００３１】ここで、本発明においては、等しい幅の前
記の第１および第２の反射部を交互に配列した構成を採
用することが望ましい。

【００３２】この構成を採用すれば、第１および第２の
反射部の幅寸法に対して光スポットの直径を所定の関係
となるように設定しなくても、デューティー比が５０％
のエンコードパルス信号を得ることができる。例えば、
戻り光の光量は、光スポットの最も多くの部分が反射率
の高い第１の反射部にのみ位置しているときに最大とな
り、光スポットの最も多くの部分が反射率の低い第２の
反射部にのみ位置しているときに最小となる。そして、
光スポット形成位置が第１の反射部から第２の反射部、
あるいはその逆に移動するのに伴って光量が増加あるい
は減少する。従って、光スポット径にかかわりなく、受
光量の変化特性はその中点レベルを基準として正側部分
および負側部分が同一幅のものとなる。このため、１お
よび第２の反射板の幅を変化させたとしても、光スポッ
トのビーム径を変えることなく、デューティー比が５０
％のエンコードパルス信号を得ることができる。換言す
ると、スケール板の分解能を変えた場合でも光学系の設
計変更を必要としない。

【００３３】次に、本発明の光学式エンコーダは、上記
の構成に加えて、前記光検出器の検出結果に基づきフォ
ーカシングエラー信号を検出して、前記集光レンズの光
軸方向の位置を調整するオートフォーカス機構を有した
構成を採用している。スケール板に形成した第１および
第２の反射部は、いずれも所定の反射率を備えているの
で、光検出器は常に戻り光を受光することができ、従っ
て、常に適切なフォーカシングを行うことができる。

【００３４】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明を適
用した光学式エンコーダを説明する。

【００３５】図１には光学式エンコーダの概略構成を示
してある。光学式エンコーダ１０は、スケール板４０
と、このスケール板４０に光を集束させると共にスケー
ル板４０からの戻り光を検出する光学ユニット２０と、
この光学ユニット２０による戻り光の受光量に基づき位
相が１／４周期ずれた２つのエンコードパルス信号を形
成するパルス信号形成回路５０とを有している。

【００３６】図１、図２（Ａ）にはスケール板４０の断
面構成を示してあり、図４にはスケール板４０に形成さ
れた反射部のパターンを示してある。このスケール板４
０は、光学ユニット２０からの出射光の波長に対して透
明なガラス基板（透明基板）４１を有している。このガ
ラス基板４１における光入射側とは反対側の表面４１１
には、例えばクロムからなる全反射膜（第１の反射部）
４２が一定の間隔（周期）λで形成されている。全反射
膜４２が形成されたガラス基板表面４１１には、全反射
膜４２を覆う状態に、ハーフミラー膜４３が形成されて
いる。本例では、全反射膜４２とハーフミラー膜４３
は、これらの幅が同一幅（λ／２）となるように形成さ
れている。

【００３７】ここで、一般的に用いられている全反射膜
は反射率が完全に１００％ではないものもある。本明細
書における全反射膜は、反射率が約８０％以上の高反射
膜も含む意味で用いるものとする。

【００３８】なお、図２（Ｂ）に示すように、スケール
板４０としては、ガラス基板４１の表面４１１の全体に
ハーフミラー膜４３を形成し、しかる後に、その表面に
等間隔で一定の幅の全反射膜４２を形成した構成とする
こともできる。

【００３９】次に、図１を参照して光学ユニット２０の
構成を説明する。この光学ユニット２０は、ガイドシャ
フト２に取り付けられたハウジング２９を備えている。
このハウジング２９の内部には発光素子（レーザ光源）
２１から出射された出射光をスケール板４０に集束する
ための往路と、スケール板４０Ａからの反射光を発光素
子２１とは異なる方向に配置された光検出器２７に導く
ための復路とを備えた光学系が構成されている。

【００４０】往路には、レーザ光源２１からスケール板
４０に向かって分光素子２２、ハーフミラー２３、およ
び対物レンズ２５がこの順序で配置されている。分光素
子２２は例えば、グレーティングレンズ等の所定の回折
条件を備えたレンズであり、レーザ光源２１からの出射
光が分光素子２２を通過すると、少なくとも、回折０次
光（メインビーム）Ｌ０と回折±１次光（サブビーム）
Ｌ１およびＬ２に分光されるように設定されている。ま
た、分光素子２２によるこれらの回折光Ｌ０、Ｌ１、お
よびＬ２の回折方向は、メインビームＬ０がスケール板
４０に光スポットとして形成される位置とサブビームＬ
２がスケール板４０に光スポットとして形成される位置
との間隔ｄが、スケール板の全反射膜４２およびハーフ
ミラー膜４３の形成周期をλとすると、ｄ＝（ｎ±１／４）λ （ｎは整数）・・・・（１）の関係を満たすように調整されている。本例の分光素子
２２は、ｄ＝（１±１／４）λとなるように調整されて
いる。この間隔ｄは、分光素子２２を光軸回りに回転さ
せることによって微調整できる。勿論、光学ユニット２
０全体を光軸回りに回転させても良い。

【００４１】なお、図１においては、一方のサブビーム
（回折＋１次光）Ｌ１を省略してあるが、このサブビー
ムＬ１はメインビームＬ０に対してサブビームＬ２と点
対称の状態に形成される。従って、サブビームＬ２が式
（１）を満たせば、サブビームＬ１がスケール板４０に
光スポットとして集光する位置とメインビームＬ０が集
光する位置との間隔は式（１）を満たすことになる。

【００４２】次に、復路には、スケール板４０から光検
出器２７に向かって対物レンズ２５、ハーフミラー２
３、シリンドリカルレンズ２６、および光検出器２７が
この順序で配置されている。ハーフミラー２３はレーザ
光源２１からの出射光とスケール板４０からの戻り光を
出射光から分離して光検出器２７に導くための光学素子
である。シリンドリカルレンズ２６は、光検出器２７へ
の戻り光に非点収差を与えるためのものであり、後述の
オートフォーカス機構は、光検出器２７の受光面に形成
される戻り光の光スポット形状に基づき、フォーカシン
グエラーを検出して、対物レンズ２５の光軸方向の位置
を微調整することにより、オートフォーカス動作を行う
ようになっている。

【００４３】図３には光検出器２７の受光面の構成を示
してある。本例の光検出器２７はメインビームＬ０のス
ケール板４０からの戻り光を受光するための４つの受光
面２７１ａ〜２７２ｄを備えた４分割受光素子（第１の
受光手段）２７１と、この受光素子２７１の両側に配置
され、サブビームＬ１およびＬ２のスケール板４０から
の戻り光を受光するための受光素子（第２の受光手段）
２７２および２７３を備えている。これらの受光素子２
７１、２７２、および２７３は半導体プロセスによって
同一チップ上に製造されている。

【００４４】この構成の光学式エンコーダ１０における
エンコードパルスの生成動作を説明する。レーザ光源２
１からの出射光は、分光素子２２によって回折され、回
折０次光（メインビーム）Ｌ０および回折±１次光（サ
ブビーム）Ｌ１およびＬ２として分光素子２２から出射
される。分光素子２２から出射されたメインビームＬ０
とサブビームＬ１およびＬ２は対物レンズ２５に導かれ
る。対物レンズ２５に導かれたメインビームＬ０とサブ
ビームＬ１およびＬ２は、対物レンズ２５によってスケ
ール板４０にそれぞれ光スポットとして集光される。

【００４５】図４に示すように、メインビームＬ０がス
ケール板４０の位置Ａ（０）にある反射膜４２に光スポ
ット１００として集光したとすれば、サブビームＬ１お
よびＬ２は位置Ａ（０）に対して光学ユニット２０とス
ケール板４０の相対移動方向に沿って（１＋１／４）λ
離れた位置Ａ（＋）およびＡ（−）にそれぞれ光スポッ
ト１０１および光スポット１０２として集光する。な
お、図４においては、光スポット１００、１０１、１０
２の直径がスケール板４０の全反射膜４２の幅と同一に
設定されている場合を示してある。

【００４６】ここで、式（１）において、光スポットの
間隔が（１−１／４）λとなるように分光素子２２を設
定すれば、サブビームＬ１およびＬ２は破線で示す位置
Ａ’（＋）および位置Ａ’（−）に光スポット１０１お
よび１０２として集光することになる。

【００４７】集光されたメインビームＬ０とサブビーム
Ｌ１およびＬ２は、全反射膜４２、ハーフミラー膜４３
で反射され、それぞれ戻り光として復路に導かれる。復
路に導かれたそれぞれの戻り光は、対物レンズ２５、ハ
ーフミラー２３を介してシリンドリカルレンズ２６に至
る。このシリンドリカルレンズ２６を介して非点収差が
付与された後に光検出器２７の受光素子２７１、２７
２、および２７３にそれぞれ集光する。すなわち、メイ
ンビームＬ０のスケール板４０からの戻り光は中央に位
置する４分割受光素子２７１にメインスポットとして集
光され、サブビームＬ１およびＬ２のスケール板４０か
らの戻り光は受光素子２７２および２７３にそれぞれサ
イドスポットとして集光される。

【００４８】メインビームＬ０の光スポット１００、サ
ブビームＬ１、Ｌ２の光スポット１０１、１０２の最も
多くの部分が全反射膜４２上に位置する時には、スケー
ル板４０からのそれぞれの戻り光の光量が最大となる。
逆に、光スポット１００、１０１、および１０２の最も
多くの部分がハーフミラー膜４３上に位置する時には、
スケール板４０からのそれぞれの戻り光の光量が最小と
なる。このため、光学ユニット２０とスケール板４０が
相対的に移動すると、全反射膜４２がλの間隔で形成さ
れているので、メインビームＬ０のスケール板４０から
の戻り光を受光する受光素子２７１の出力波形Ｐ（０）
は、図５に示すような周期λの正弦波形となる。この出
力波形Ｐ（０）は４分割受光素子２７１の受光面２７１
ａ〜２７１ｄからの出力の総和として得られる。

【００４９】また、サブビームＬ１およびＬ２のスケー
ル板４０からの戻り光を受光する受光素子２７２および
２７３の出力波形Ｐ（１）およびＰ（２）も図５に示す
ように正弦波形となる。サブビームＬ１およびＬ２の光
スポット１０１および１０２の位置Ａ（＋）およびＡ
（−）は、メインビームＬ０の光スポット１００の位置
Ａ（０）に対してそれぞれ（１＋１／４）λ離れている
ので、出力波形Ｐ（０）に対して位相が１／４周期ずれ
た周期λの正弦波形となる。更に、サブビームＬ１の出
力波形Ｐ（１）とサブビームＬ２の出力波形Ｐ（２）は
反転した関係となる。これらの出力波形Ｐ（１）および
Ｐ（２）のレベルは、サブビームＬ１およびＬ２が回折
±１次光であるので、回折０次光であるメインビームＬ
０の戻り光に基づいた出力波形Ｐ（０）に比べて低くな
る。

【００５０】このようにして各受光素子２７１、２７
２、および２７３から得られた出力波形Ｐ（０）、Ｐ
（１）、およびＰ（２）はパルス信号形成回路５０にお
いて以下に説明するように処理され、エンコードパルス
信号が得られる。

【００５１】図６はパルス信号形成回路のブロック図で
ある。この図に示すように、パルス信号形成回路５０で
は、メインビームＬ０のスケール４０からの戻り光を受
光した４分割受光素子２７１の各受光面２７１ａ〜２７
１ｄからの出力信号が増幅器５０１〜５０４でそれぞれ
増幅され、増幅後の出力信号が加算器５１１によって全
加算される。この結果、出力波形Ｐ（０）が所定の増幅
率で増幅された出力波形Ｐ’（０）が得られる。

【００５２】また、サブビームＬ１およＬ２のスケール
板４０からの戻り光を受光した受光素子２７２および２
７３からの出力波形Ｐ（１）およびＰ（２）が増幅器５
０５および５０６でほぼ同じ増幅率で増幅され、増幅後
の出力波形Ｐ’（１）およびＰ’（２）が比較器５２１
で比較される。この結果、ハイレベルとローレベルの比
（デューティー比）が５０％となった第２のエンコード
パルス信号（Ｂ相信号）Ｖｂが得られる。

【００５３】さらに、増幅器５０５および５０６で増幅
された出力波形Ｐ’（１）およびＰ’（２）は、加算器
５１２で加算され、これにより、一定の電位レベルの信
号が得られる。さらに、この一定の電位レベルの信号は
上記の出力波形Ｐ’（０）の中点を通過するように増幅
器５０７で適当な増幅率で増幅される。この結果、出力
波形Ｐ’（０）からエンコードパルス信号を形成するた
めの基準電位Ｖｏが得られる。

【００５４】上記の出力波形Ｐ’（０）は、比較器５２
２において基準電位Ｖｏと比較され、ハイレベルとロー
レベルの比（デューティー比）が５０％であり、第２の
エンコードパルス信号Ｖｂとは位相が１／４周期ずれた
第１のエンコードパルス信号（Ａ相信号）Ｖａが得られ
る。このようにして、パルス信号形成回路５０からは第
１および第２のエンコードパルス信号ＶａおよびＶｂが
出力される。

【００５５】ここで、光学式エンコーダ１０は、光スポ
ットのフォーカスずれを自動的に修正するためのオート
フォーカス機構を備えている。このオートフォーカス機
構は非点収差法によりフォーカシングエラー信号を検出
するものである。すなわち、メインビームＬ０のスケー
ル板４０からの戻り光はシリンドリカルレンズ２６によ
って非点収差波面とされるので、焦点が合っている場合
には４分割受光素子２７１に集光されるメインスポット
２００の形状は円形になるが、焦点がずれている場合に
は図３において破線で示すような楕円形となる。従っ
て、４分割受光素子２７１の各受光部分で得られる受光
量に基づき、フォーカシングエラー信号を得ることがで
きる。

【００５６】図６を参照して説明すると、光学式エンコ
ーダ１０では、まず、メインビームＬ０のスケール板４
０からの戻り光を受光する４分割受光素子２７１の４つ
の受光面２７１ａ〜２７１ｄのうち、点対象の位置にあ
る２対の受光面２７１ａおよび２７１ｃと２７１ｂと２
７１ｄの出力を加算器６０１および６０２で加算する。
これらの２つの加算出力を比較器６２１で比較する。焦
点がずれている場合には、これらの信号に差があるの
で、比較器６２１の出力には、それに対応するフォーカ
スずれ信号が表れる。このフォーカスずれ信号に基づい
て対物レンズ駆動回路６１を介して対物レンズ移動機構
６３によってフォーカスずれが無くなる方向に対物レン
ズ２５を移動する。

【００５７】ここで、本例では、スケール板４０に、全
反射膜４２とハーフミラー膜４３を交互に形成してある
ので、出射光の光スポットがいずれの位置に形成された
状態においても、光検出器の側においては戻り光を検出
できる。従って、例えば、全反射膜と透過部分を交互に
形成したような場合のように、透過部分に光が照射して
いる間は戻り光を検出できず、オートフォーカス機能が
働かなくなるという弊害は発生しない。

【００５８】（その他の実施形態）以上の説明において
は、スケール板に、第１の反射部として全反射膜を形成
し、第２の反射部としてハーフミラー膜を形成してあ
る。全反射膜の代わりに、５０％以上の反射率の反射膜
を採用し、ハーフミラー膜の代わりに、５０％未満の反
射率の反射膜を採用してもよい。いずれの場合において
も、第１および第２の反射部の反射率を相対的に異なる
ものとすればよい。

【００５９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光学式エ
ンコーダは、スケール板として反射率の異なる２種類の
反射部を交互に形成した構成を採用することにより、ス
ケール板からの戻り光の光量を変化させてスケール板の
位置情報に関するエンコードパルス信号を得るようにし
ている。従って、光軸方向に段差を付けて２層の反射部
を形成する場合に比べて、スケール板を簡単に、しかも
精度良く製造することができる。

【００６０】また、スケール板に形成された第１および
第２の反射部を等しい幅で交互に形成する構成を採用す
れば、これらの反射部の幅と反射部に形成される光スポ
ットの径との大小関係が変化しても、デューティー比が
５０％のエンコードパルス信号を得ることができる。従
って、第１および第２の反射部の幅を変えて光学式エン
コーダの分解能を変更した場合でも、光学系を設計変更
する必要がないという利点がある。

【００６１】さらには、スケール板に形成された第１お
よび第２の反射部はそれぞれ所定の反射率を備えている
ので、光スポットがいずれの反射部を照射していても、
常に戻り光を光検出器の側で検出できる。従って、常に
オートフォーカス機能を動作させることができるという
利点もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した集光方式の光学式エンコーダ
の概略構成図である。

【図２】（Ａ）は図１の光学式エンコーダのスケール板
を示す断面図、（Ｂ）はスケール板の別の例を示す断面
図である。

【図３】図１の光学式エンコーダの光検出器の各受光素
子の受光面にそれぞれ形成される戻り光の光スポット形
状を示す説明図である。

【図４】図１の光学式エンコーダのスケール板に光スポ
ットとして集光されたメインビームとサブビームの位置
関係を示す説明図である。

【図５】図１の光学式エンコーダの光検出器の受光素子
から得られる出力波形を示す波形図である。

【図６】図１の光学式エンコーダのパルス信号形成回路
の概略構成を示すブロック図である。

【図７】本願人が提案している光学式エンコーダの概略
構成図である。

【図８】スケール板の反射部の幅と光スポットのビーム
径の関係を示す説明図である。

【図９】（Ａ）は図７の光学式エンコーダから得られる
第１および第２のエンコードパルス信号を示す波形図で
あり、（Ｂ）は光スポットの直径よりもスケール板の反
射部および透過部の幅が広い場合の第１および第２のエ
ンコードパルス信号を示す波形図である。

【図１０】一般的な光学式エンコーダの原理図である。

【符号の説明】

１０光学式エンコーダ２０光学ユニット２１レーザ光源２３ハーフミラー２５対物レンズ２６シリンドリカルレンズ２７光検出器４０スケール板４１ガラス基板（透明基板）４２全反射膜（第１の反射部）４３ハーフミラー膜（第２の反射部）５０パルス信号形成回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】交互に配列された複数の第１および第２
の反射部を備えたスケール板と、このスケール板に光を
集束させると共に前記スケール板からの戻り光を検出す
る光学ユニットと、この光学ユニットからの前記戻り光
の受光量から前記スケール板の位置情報に基づいたエン
コードパルス信号を形成するパルス信号形成手段とを有
し、前記光学ユニットは、レーザ光源と、前記レーザ光源か
らの出射光を光スポットとして前記スケール板に集束さ
せる集光レンズと、前記スケール板からの前記戻り光を
検出する光検出器とを備え、前記スケール板の前記第１および第２の反射部は、前記
出射光に対する反射率が相互に異なっていることを特徴
とする光学式エンコーダ。
【請求項２】請求項１において、前記第１の反射部は
高反射ミラーであり、前記第２の反射部はハーフミラー
であることを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項３】請求項１において、前記スケール板は、
前記出射光に対して透明な透明基板と、この透明基板の
表面に所定の間隔で形成された一定幅の前記第１の反射
部としての高反射膜と、この高反射膜が形成された前記
透明基板の表面を覆う状態に形成された前記第２の反射
部としてのハーフミラー膜とを備えていることを特徴と
する光学式エンコーダ。
【請求項４】請求項１において、同一幅の前記第１お
よび第２の反射部が交互に形成されていることを特徴と
する光学式エンコーダ。
【請求項５】請求項１乃至４のうちの何れかの項にお
いて、更に、前記光検出器の検出結果に基づきフォーカ
シングエラー信号を検出して、前記集光レンズの光軸方
向の位置を調整するオートフォーカス機構を有している
ことを特徴とする光学式エンコーダ。