JP2006170899A - Photoelectric encoder - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a photoelectric encoder capable of improving resolution. <P>SOLUTION: This photoelectric encoder is characterized by being equipped with illumination means 11, 12 for emitting illumination light, a translation lattice 15 arranged in an optical path of the illumination light and displaced in the direction crossing a lattice line, an index lattice 13 arranged in the optical path of the illumination light, detection means 16-1, 16-2, 21-1, 21-2 for detecting the illumination light via the translation lattice 15 and the index lattice 13, and a modulation means 30 for modulating the illumination light. In the photoelectric encoder, many noises superimposed on a signal can be reduced by demodulating the signal detected by the detection means 30 with the same frequency as a modulation frequency. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、光電式エンコーダに関する。   The present invention relates to a photoelectric encoder.

一般に、光電式エンコーダには、移動格子の変位又は移動量を示す信号光を生成する光学系（エンコーダ光学系）と、その信号光に応じた電気信号を生成する検出部とが備えられる（特許文献１など）。検出部は、受光素子や受光回路からなる。
特開２００２−２４３５０３号公報 Generally, a photoelectric encoder is provided with an optical system (encoder optical system) that generates signal light indicating the displacement or amount of movement of a moving grating, and a detection unit that generates an electrical signal corresponding to the signal light (patent). Reference 1). The detection unit includes a light receiving element and a light receiving circuit.
JP 2002-243503 A

しかし、検出部の出力信号は、エンコーダ光学系内で発生した光学的ノイズの影響と、検出部内で発生した電気的ノイズの影響とを受けるので、ＳＮ比が低下している。このＳＮ比の低下は、光電式エンコーダの分解能向上の妨げとなる。
そこで本発明は、分解能を向上させることのできる光電式エンコーダを提供することを目的とする。 However, since the output signal of the detection unit is affected by the optical noise generated in the encoder optical system and the electrical noise generated in the detection unit, the SN ratio is lowered. This decrease in the S / N ratio hinders improvement in resolution of the photoelectric encoder.
Therefore, an object of the present invention is to provide a photoelectric encoder capable of improving the resolution.

請求項１に記載の光電式エンコーダは、照明光を出射する照明手段と、前記照明光の光路に配置され、格子線と交差する方向に変位する移動格子と、前記照明光の光路に配置されたインデックス格子と、前記移動格子と前記インデックス格子とを経由した前記照明光を検出する検出手段と、前記照明光を変調する変調手段とを有することを特徴とする。
請求項２に記載の光電式エンコーダは、請求項１に記載の光電式エンコーダにおいて、前記インデックス格子は、前記照明光を２つの照明光に分岐し、前記２つに分岐された照明光を前記移動格子に照明して干渉させる干渉光学系を有することを特徴とする。 The photoelectric encoder according to claim 1 is disposed in an illumination unit that emits illumination light, a moving grating that is disposed in an optical path of the illumination light and that is displaced in a direction intersecting a lattice line, and an optical path of the illumination light. And a detecting means for detecting the illumination light passing through the moving grating and the index grating, and a modulating means for modulating the illumination light.
The photoelectric encoder according to claim 2 is the photoelectric encoder according to claim 1, wherein the index grating branches the illumination light into two illumination lights, and the illumination light branched into the two is the It has an interference optical system for illuminating and interfering with the moving grating.

請求項３に記載の光電式エンコーダは、請求項２に記載の光電式エンコーダにおいて、前記変調手段は、前記２つの照明光のうち何れか一方の照明光を変調することを特徴とする。
請求項４に記載の光電式エンコーダは、請求項２又は請求項３に記載の光電式エンコーダにおいて、前記インデックス格子は、前記移動格子と同じ格子間隔で前記移動格子に平行に配置された回折格子であり、前記移動格子は、回折格子であることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, there is provided the photoelectric encoder according to the second aspect, wherein the modulation unit modulates one of the two illumination lights.
4. The photoelectric encoder according to claim 4, wherein the index grating is a diffraction grating arranged in parallel to the moving grating at the same grating interval as the moving grating. The moving grating is a diffraction grating.

請求項５に記載の光電式エンコーダは、請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の光電式エンコーダにおいて、前記変調手段は、前記照明光の光量を変調することを特徴とする。
請求項６に記載の光電式エンコーダは、請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の光電式エンコーダにおいて、前記変調手段は、前記照明光の偏波面を変調することを特徴とする。 A photoelectric encoder according to a fifth aspect is the photoelectric encoder according to any one of the first to fourth aspects, wherein the modulation means modulates the amount of the illumination light.
The photoelectric encoder according to claim 6 is the photoelectric encoder according to any one of claims 1 to 4, wherein the modulation means modulates a polarization plane of the illumination light. .

請求項７に記載の光電式エンコーダは、請求項２〜請求項４の何れか一項に記載の光電式エンコーダにおいて、前記変調手段は、前記２つの照明光の位相差を変調することを特徴とする。
請求項８に記載の光電式エンコーダは、請求項２〜請求項４の何れか一項に記載の光電式エンコーダにおいて、前記変調手段は、前記照明光の波長を変調することを特徴とする。 The photoelectric encoder according to claim 7 is the photoelectric encoder according to any one of claims 2 to 4, wherein the modulation unit modulates a phase difference between the two illumination lights. And
The photoelectric encoder according to claim 8 is the photoelectric encoder according to any one of claims 2 to 4, wherein the modulation means modulates the wavelength of the illumination light.

請求項９に記載の光電式エンコーダは、請求項１〜請求項８の何れか一項に記載の光電式エンコーダにおいて、前記周期変調の周波数は、略１ＭＨｚ以上であることを特徴とする。   The photoelectric encoder according to claim 9 is the photoelectric encoder according to any one of claims 1 to 8, wherein the frequency of the periodic modulation is approximately 1 MHz or more.

本発明によれば、分解能を向上させることのできる光電式エンコーダが実現する。   According to the present invention, a photoelectric encoder capable of improving the resolution is realized.

[第１実施形態]
以下、第１実施形態を説明する。
本実施形態は、回折干渉方式の光電式リニアエンコーダの実施形態である。
先ず、本エンコーダの構成を説明する。図１は、本エンコーダの構成図である。本エンコーダの光学系部分には、光源１１、コリメータレンズ１２、インデックス回折格子１３、１対のミラー１４Ａ、１４Ｂ、移動回折格子１５、１対の受光素子１６−１，１６−２などが備えられる。 [First embodiment]
Hereinafter, the first embodiment will be described.
The present embodiment is an embodiment of a diffraction interference type photoelectric linear encoder.
First, the configuration of the encoder will be described. FIG. 1 is a configuration diagram of the encoder. The optical system portion of the encoder includes a light source 11, a collimator lens 12, an index diffraction grating 13, a pair of mirrors 14A and 14B, a moving diffraction grating 15, a pair of light receiving elements 16-1 and 16-2, and the like. .

光源１１は、例えば、波長λ＝８５０ｎｍのレーザ光を出射するレーザ光源であり、変調されている。
インデックス回折格子１３及び移動回折格子１５は、例えば、透過型かつ位相型の回折格子である。これらインデックス回折格子１３及び移動回折格子１５の格子線の方向及び格子ピッチｐは互いに同じである。格子ピッチｐは、５０μｍ以下、例えば、約２μｍである（このとき、本エンコーダの主信号ピッチＰは格子ピッチｐの半分の１μｍとなる。）。 The light source 11 is, for example, a laser light source that emits laser light having a wavelength λ = 850 nm, and is modulated.
The index diffraction grating 13 and the moving diffraction grating 15 are, for example, transmission type and phase type diffraction gratings. The direction of the grating lines and the grating pitch p of the index diffraction grating 13 and the moving diffraction grating 15 are the same. The grating pitch p is 50 μm or less, for example, about 2 μm (at this time, the main signal pitch P of this encoder is 1 μm, which is half the grating pitch p).

受光素子１６−１，１６−２は、フォトダイオードなども光電素子である。
光源１１、コリメータレンズ１２、インデックス回折格子１３、ミラー１４Ａ、１４Ｂ、１対の受光素子１６−１，１６−２は、互いの位置が固定されている。それに対し、移動回折格子１５は、不図示の移動物体と共に変位する。その変位方向は、図１中に矢印で示すように、移動回折格子１５の格子の形成面と平行であって格子線と垂直な方向である。 The light receiving elements 16-1 and 16-2 are also photoelectric elements such as photodiodes.
The positions of the light source 11, the collimator lens 12, the index diffraction grating 13, the mirrors 14A and 14B, and the pair of light receiving elements 16-1 and 16-2 are fixed. On the other hand, the moving diffraction grating 15 is displaced together with a moving object (not shown). The displacement direction is a direction parallel to the grating forming surface of the moving diffraction grating 15 and perpendicular to the grating lines, as indicated by arrows in FIG.

なお、図１中には、この移動回折格子１５の移動方向をＸ方向とし、格子線方向をＹ方向とし、移動回折格子１５の法線方向をＺ方向とした右手系のＸＹＺ直交座標系を示した。以下、必要に応じてこの直交座標系を用いて説明する。
本エンコーダの回路部分には、受光回路２１−１，２１−２、基本波成分検出回路２２−１，２２−２、クロック回路２６、エンコーダ信号処理回路２７、光源駆動回路３０、ＤＣ成分検出回路３１、光量制御回路３２などが備えられる。 In FIG. 1, a right-handed XYZ orthogonal coordinate system in which the moving direction of the moving diffraction grating 15 is the X direction, the grating line direction is the Y direction, and the normal direction of the moving diffraction grating 15 is the Z direction is shown. Indicated. Hereinafter, description will be made using this orthogonal coordinate system as necessary.
The circuit portion of the encoder includes light receiving circuits 21-1 and 21-2, fundamental wave component detection circuits 22-1 and 22-2, a clock circuit 26, an encoder signal processing circuit 27, a light source driving circuit 30, and a DC component detection circuit. 31, a light amount control circuit 32, and the like.

次に、本エンコーダの光学系部分の動作を説明する。
光源１１は、照明光を出射する。その照明光は、コリメータレンズ１２で平行光となり、インデックス回折格子１３上のＸ方向に並ぶ領域１３−１，１３−２を照明する。領域１３−１，１３−２の各々は、そこに設けられた回折格子の回折作用により各次数の回折光を生起させる。 Next, the operation of the optical system portion of the encoder will be described.
The light source 11 emits illumination light. The illumination light becomes parallel light by the collimator lens 12 and illuminates the regions 13-1 and 13-2 aligned in the X direction on the index diffraction grating 13. Each of the regions 13-1 and 13-2 generates diffracted light of each order by the diffractive action of the diffraction grating provided there.

インデックス回折格子１３の領域１３−１で生じた±１次回折光は、ミラー１４Ａ、１４Ｂで個別に偏向された後、移動回折格子１５の領域１５−１に重なって入射する。これらの±１次回折光は、領域１５−１に設けられた回折格子の回折作用によって統合される。統合された±１次回折光は干渉し、その干渉光（信号光）は、受光素子１６−１に入射する。受光素子１６−１は、後述する受光回路２１−１と共に信号光の光量を示す電気信号（以下、「干渉信号Ｉ−１」と称す。）を生成する。この干渉信号Ｉ−１の値は、移動回折格子１５のＸ方向の変位ｘによって決まる。   The ± first-order diffracted light generated in the region 13-1 of the index diffraction grating 13 is individually deflected by the mirrors 14A and 14B, and then overlaps and enters the region 15-1 of the moving diffraction grating 15. These ± 1st order diffracted lights are integrated by the diffraction action of the diffraction grating provided in the region 15-1. The integrated first-order diffracted light interferes, and the interference light (signal light) enters the light receiving element 16-1. The light receiving element 16-1 generates an electric signal (hereinafter referred to as "interference signal I-1") indicating the amount of signal light together with the light receiving circuit 21-1 described later. The value of the interference signal I-1 is determined by the displacement x of the moving diffraction grating 15 in the X direction.

インデックス回折格子１３の領域１３−２で生じた±１次回折光は、ミラー１４Ａ、１４Ｂで個別に偏向された後、移動回折格子１５の領域１５−２に重なって入射する。これらの±１次回折光は、領域１５−２に設けられた回折格子の回折作用によって統合される。統合された±１次回折光は干渉し、その干渉光（信号光）は、受光素子１６−２に入射する。受光素子１６−２は、後述する受光回路２１−２と共に信号光の光量を示す電気信号（以下、「干渉信号Ｉ−２」と称す。）を生成する。この干渉信号Ｉ−２の値は、移動回折格子１５のＸ方向の変位ｘによって決まる。   The ± first-order diffracted light generated in the region 13-2 of the index diffraction grating 13 is individually deflected by the mirrors 14A and 14B, and then overlaps and enters the region 15-2 of the moving diffraction grating 15. These ± 1st-order diffracted lights are integrated by the diffraction action of the diffraction grating provided in the region 15-2. The integrated ± first-order diffracted light interferes, and the interference light (signal light) enters the light receiving element 16-2. The light receiving element 16-2 generates an electric signal (hereinafter referred to as "interference signal I-2") indicating the amount of signal light together with the light receiving circuit 21-2 described later. The value of the interference signal I-2 is determined by the displacement x of the moving diffraction grating 15 in the X direction.

なお、干渉信号Ｉ−２の位相が干渉信号Ｉ−１の位相と９０°だけずれるように、領域１３−１，１３−２，１５−１，１５−２に設けられた各回折格子の配置関係は予め最適化されている。
次に、本エンコーダの回路部分の動作を説明する。
光源駆動回路３０は、クロック回路２６から与えられる信号に同期して、照明光の光量が時間に応じて周期変調されるように光源１１を駆動制御する。 The arrangement of the diffraction gratings provided in the regions 13-1, 13-2, 15-1, and 15-2 so that the phase of the interference signal I-2 is shifted by 90 ° from the phase of the interference signal I-1. The relationship is optimized beforehand.
Next, the operation of the circuit portion of the encoder will be described.
The light source driving circuit 30 drives and controls the light source 11 in synchronization with the signal given from the clock circuit 26 so that the amount of illumination light is periodically modulated according to time.

この周期変調中の照明光の光量の時間変化波形（以下、「変調波形」という。）は、所定の周波数ｆ、所定の振幅Ｒで変化する正弦波である。周波数ｆは、例えば３．３ＭＨｚである。この周期変調によると、受光素子１６−１，１６−２に入射する信号光の光量が周波数ｆで周期変調される。
一方の受光素子１６−１は、一方の受光回路２１−１によって連続的に駆動される。受光回路２１−１は、駆動中の受光素子１６−１から出力される信号に応じて干渉信号Ｉ−１を生成する。上述した周期変調によると、干渉信号Ｉ−１は、周波数ｆで周期変調される。この周期変調される干渉信号Ｉ−１は、基本波成分検出回路２２−１に与えられる。 This time-varying waveform of the amount of illumination light during periodic modulation (hereinafter referred to as “modulation waveform”) is a sine wave that changes at a predetermined frequency f and a predetermined amplitude R. The frequency f is, for example, 3.3 MHz. According to this periodic modulation, the amount of signal light incident on the light receiving elements 16-1 and 16-2 is periodically modulated at the frequency f.
One light receiving element 16-1 is continuously driven by one light receiving circuit 21-1. The light receiving circuit 21-1 generates an interference signal I-1 according to a signal output from the light receiving element 16-1 being driven. According to the periodic modulation described above, the interference signal I-1 is periodically modulated at the frequency f. This periodically modulated interference signal I-1 is given to the fundamental wave component detection circuit 22-1.

基本波成分検出回路２２−１は、与えられた干渉信号Ｉ−１の時間変化を参照し、その干渉信号Ｉ−１から周波数ｆで時間変化する成分の強度（１次成分）Ｉ1−１を検出する。この検出動作は、クロック回路２６から与えられる信号に同期した同期検波からなる。こうして検出された１次成分Ｉ1−１は、干渉信号Ｉ−１を周波数ｆで復調したものに相当する。以下、この１次成分Ｉ1−１を「復調後の干渉信号Ｉ1−１」と称す。 The fundamental wave component detection circuit 22-1 refers to the time change of the given interference signal I-1, and the intensity (primary component) I 1 −1 of the component that changes with time from the interference signal I-1 at the frequency f. Is detected. This detection operation consists of synchronous detection synchronized with the signal given from the clock circuit 26. The primary component I 1 −1 detected in this way corresponds to a signal obtained by demodulating the interference signal I-1 at the frequency f. Hereinafter, this primary component I 1 −1 is referred to as “demodulated interference signal I 1 −1”.

他方の受光素子１６−２は、他方の受光回路２１−２によって連続的に駆動される。受光回路２１−２は、駆動中の受光素子１６−２から出力される信号に応じて干渉信号Ｉ−２を生成する。上述した周期変調によると、干渉信号Ｉ−２は、周波数ｆで周期変調される。この周期変調される干渉信号Ｉ−２は、基本波成分検出回路２２−２に与えられる。
基本波成分検出回路２２−２は、与えられた干渉信号Ｉ−２の時間変化を参照し、その干渉信号Ｉ−２から周波数ｆで時間変化する成分の強度（１次成分）Ｉ1−２を検出する。この検出動作は、クロック回路２６から与えられる信号に同期した同期検波からなる。こうして検出された１次成分Ｉ1−２は、干渉信号Ｉ−２を周波数ｆで復調したものに相当する。以下、この１次成分Ｉ1−２を「復調後の干渉信号Ｉ1−２」と称す。 The other light receiving element 16-2 is continuously driven by the other light receiving circuit 21-2. The light receiving circuit 21-2 generates an interference signal I-2 according to a signal output from the light receiving element 16-2 being driven. According to the periodic modulation described above, the interference signal I-2 is periodically modulated at the frequency f. This periodically modulated interference signal I-2 is given to the fundamental wave component detection circuit 22-2.
The fundamental wave component detection circuit 22-2 refers to the time change of the given interference signal I-2, and the intensity (primary component) I 1 -2 of the component that changes with time from the interference signal I-2 at the frequency f. Is detected. This detection operation consists of synchronous detection synchronized with the signal given from the clock circuit 26. The primary component I 1 -2 detected in this way corresponds to a signal obtained by demodulating the interference signal I-2 at the frequency f. Hereinafter, this primary component I 1 -2 is referred to as “demodulated interference signal I 1 -2”.

復調後の干渉信号Ｉ1−１，Ｉ1−２は、エンコーダ信号処理回路２７によって取り込まれる。エンコーダ信号処理回路２７は、復調後の干渉信号Ｉ1−１，Ｉ1−２を、移動回折格子１４のＸ方向の変位ｘを９０°ずれた位相で表す「ｓｉｎ信号」，「ｃｏｓ信号」として処理し、エンコーダ出力信号（カウント値）を生成する。
なお、上述した干渉信号Ｉ−１，Ｉ−２は、ＤＣ成分検出回路３１にも与えられる。ＤＣ成分検出回路３１は、与えられた干渉信号Ｉ−１，Ｉ−２の時間変化を参照し、時間変化しない成分の強度（ＤＣ次成分）Ｉ0を検出する。このＤＣ成分Ｉ0は、前述した周期変調の変調波形の振幅Ｒを表す。 Interference signal I 1 -1 after demodulation, I 1 -2 is taken by the encoder signal processing circuit 27. Encoder signal processing circuit 27, the interference signal I 1 -1, the I 1 -2, "sin signal" represented by X direction displacement x of 90 ° out of phase of the movable diffraction grating 14 after demodulation, "cos signal" To generate an encoder output signal (count value).
The interference signals I-1 and I-2 described above are also given to the DC component detection circuit 31. The DC component detection circuit 31 refers to the time change of the given interference signals I-1 and I-2, and detects the intensity (DC order component) I 0 of the component that does not change with time. This DC component I 0 represents the amplitude R of the modulation waveform of the above-described periodic modulation.

このＤＣ成分Ｉ0は、光量制御回路３２によって取り込まれる。光量制御回路３２は、そのＤＣ成分Ｉ0の変動が抑えられる方向に光源駆動回路３０を制御する。これによって、周期変調の変調波形の振幅Ｒは、一定値に保たれる（フィードバック制御される。）。
次に、本エンコーダの効果を説明する。
本エンコーダでは、受光素子１６−１，１６−２に入射する信号光の光量が周波数ｆで周期変調されると共に、受光回路２１−１，２１−２が生成した干渉信号Ｉ−１，Ｉ−２が周波数ｆで復調される。 This DC component I 0 is taken in by the light quantity control circuit 32. The light quantity control circuit 32 controls the light source driving circuit 30 in a direction in which the fluctuation of the DC component I 0 is suppressed. As a result, the amplitude R of the modulation waveform of the periodic modulation is kept at a constant value (feedback controlled).
Next, the effect of this encoder will be described.
In this encoder, the amount of signal light incident on the light receiving elements 16-1 and 16-2 is periodically modulated at the frequency f, and the interference signals I-1, I- 1 generated by the light receiving circuits 21-1, 21-2. 2 is demodulated at frequency f.

したがって、仮に干渉信号Ｉ−１，Ｉ−２にノイズが重畳されていたとしても、復調後の干渉信号Ｉ1−１，Ｉ1−２には、周波数ｆ以外の周波数で振動するノイズは、何ら含まれない。これは、本エンコーダの光学的ノイズ（光源１１の不安定性に起因するノイズなど）についても、電気的ノイズ（受光素子１６−１，１６−２，受光回路２１−１，２１−２内で発生するノイズ）についても同様に当てはまる。 Accordingly, even if noise is superimposed on the interference signals I-1 and I-2, the demodulated interference signals I 1 -1 and I 1 -2 have noise oscillating at a frequency other than the frequency f, Not included at all. This is also caused by electrical noise (light receiving elements 16-1 and 16-2, light receiving circuits 21-1 and 21-2) as well as optical noise of the encoder (noise caused by instability of the light source 11). The same applies to the noise).

さて、一般的な受光回路の出力信号に重畳されるノイズの周波数特性を図２に示した。この出力信号に重畳されるノイズの種類には、熱雑音、１／ｆ雑音、ショット雑音などが含まれる。０Ｈｚの近傍（ＤＣ近傍）の周波数帯域では、比較的レベルの高い熱雑音及び１／ｆ雑音の方が支配的であるため、図２（ａ）に示すようにノイズレベルが高いが、数百ｋＨｚ以上の周波数帯域（特に１ＭＨｚ以上の周波数帯域）では、比較的レベルの低いショット雑音の方が支配的となるため、図２（ｂ）に示すようにノイズレベルが格段に小さくなる。   FIG. 2 shows the frequency characteristics of noise superimposed on the output signal of a general light receiving circuit. The types of noise superimposed on this output signal include thermal noise, 1 / f noise, shot noise, and the like. In the frequency band in the vicinity of 0 Hz (near DC), relatively high levels of thermal noise and 1 / f noise are dominant, so the noise level is high as shown in FIG. In a frequency band of kHz or higher (especially a frequency band of 1 MHz or higher), shot noise having a relatively low level is dominant, and the noise level is significantly reduced as shown in FIG.

したがって、例えば、本エンコーダの周期変調の周波数ｆが３．３ＭＨｚに設定されたならば、その周波数ｆは図２（ｂ）の周波数帯域に含まれるので、復調後の干渉信号Ｉ1−１，Ｉ1−２に残存するノイズのレベルは格段に小さくなり、復調後の干渉信号Ｉ1−１，Ｉ1−２のＳＮ比は向上する。そして、そのＳＮ比が向上した分だけ、本エンコーダの分解能は向上する。 Thus, for example, if the frequency f of the periodic modulation of the encoder is set to 3.3 MHz, so that frequency f is included in the frequency band of FIG. 2 (b), the demodulated interference signal I 1 -1, The level of noise remaining in I 1 -2 is significantly reduced, and the S / N ratio of the demodulated interference signals I 1 -1 and I 1 -2 is improved. Then, the resolution of the encoder is improved by the improvement of the SN ratio.

因みに、仮に、本エンコーダにおいて周期変調及び復調が行われなかった場合には、例えば、受光素子１６−１，１６−２の入力パワー１０μＷに対し３０〜４０ｄＢのＳＮ比しか得られなかった。この場合、エンコーダ信号処理回路２７の内挿数は、高々２０００程度であり、分解能は約０．５ｎｍであった。
しかし、本エンコーダにおいて周期変調及び復調が行われると、周波数ｆ＝３．３ＭＨｚの設定下で、受光素子１６−１，１６−２の入力パワー１０μＷに対し６０〜７０ｄＢのＳＮ比が得られた。この場合、エンコーダ信号処理回路２７の内挿数を、１０5以上にすることができ、分解能は１０ｐｍ以下にすることができた。実に２桁も分解能が向上した。 Incidentally, if periodic modulation and demodulation were not performed in this encoder, for example, only an S / N ratio of 30 to 40 dB was obtained for an input power of 10 μW of the light receiving elements 16-1 and 16-2. In this case, the interpolation number of the encoder signal processing circuit 27 is about 2000 at most, and the resolution is about 0.5 nm.
However, when periodic modulation and demodulation are performed in this encoder, an SN ratio of 60 to 70 dB is obtained with respect to the input power of 10 μW of the light receiving elements 16-1 and 16-2 under the setting of the frequency f = 3.3 MHz. . In this case, the interpolation number of the encoder signal processing circuit 27 can be 10 5 or more, and the resolution can be 10 pm or less. The resolution has improved by two digits.

また、本エンコーダでは、周期変調の変調波形の振幅Ｒがフィードバック制御されるので、周期変調及び復調を高精度に行うことができる。よって、本エンコーダの分解能は、より確実に向上する。
なお、本エンコーダの周期変調の周波数ｆは、３．３ＭＨｚ以外の値であってもよい。但し、略１ＭＨｚ以上の周波数帯域（図２（ｂ）：ショット雑音が支配的となる領域）に含まれている方が、ノイズレベルをより低減できるので望ましい。 In this encoder, since the amplitude R of the modulation waveform of the periodic modulation is feedback-controlled, the periodic modulation and demodulation can be performed with high accuracy. Therefore, the resolution of this encoder is more reliably improved.
Note that the frequency f of the periodic modulation of the encoder may be a value other than 3.3 MHz. However, it is desirable that the frequency band is approximately 1 MHz or higher (FIG. 2B: a region where shot noise is dominant) because the noise level can be further reduced.

また、本エンコーダでは、信号光を周期変調するために光源１１の出力を周期変調させたが、光源１１の出力を周期変調する代わりに、照明光の光路（例えば、コリメータレンズ１２とインデックス回折格子１３との間の光路）にオプティカルチョッパを挿入して照明光を周期的にオン／オフしてもよい。
また、本エンコーダでは、信号光を周期変調するために光源１１の出力を周期変調させたが、光源１１の出力を周期変調する代わりに、照明光の偏波面を周期変調してもよい。照明光の偏波面を周期変調する方法としては、例えば、照明光の光路（例えば、コリメータレンズ１２とインデックス回折格子１３との間の光路）にファラデー素子を挿入する方法（磁気光学効果によって偏波面を変調する方法）がある。 In this encoder, the output of the light source 11 is periodically modulated in order to periodically modulate the signal light. Instead of periodically modulating the output of the light source 11, the optical path of the illumination light (for example, the collimator lens 12 and the index diffraction grating) An optical chopper may be inserted into the optical path between the illumination light and the illumination light.
In this encoder, the output of the light source 11 is periodically modulated in order to periodically modulate the signal light. However, instead of periodically modulating the output of the light source 11, the polarization plane of the illumination light may be periodically modulated. As a method of periodically modulating the polarization plane of the illumination light, for example, a method of inserting a Faraday element into the optical path of the illumination light (for example, the optical path between the collimator lens 12 and the index diffraction grating 13) (the polarization plane by the magneto-optic effect). There is a method to modulate.

また、本エンコーダでは、信号光を周期変調するために光源１１の出力を周期変調させたが、光源１１の出力を周期変調する代わりに、照明光の波長を周期変調してもよい。照明光の波長を周期変調する方法としては、例えば、照明光の光路（例えば、コリメータレンズ１２とインデックス回折格子１３との間の光路）に音響光学素子（ＡＯＭ）を挿入する方法がある。   In this encoder, the output of the light source 11 is periodically modulated in order to periodically modulate the signal light. However, instead of periodically modulating the output of the light source 11, the wavelength of the illumination light may be periodically modulated. As a method of periodically modulating the wavelength of the illumination light, for example, there is a method of inserting an acousto-optic element (AOM) in the optical path of the illumination light (for example, the optical path between the collimator lens 12 and the index diffraction grating 13).

また、本エンコーダでは、信号光を周期変調するために光源１１の出力を周期変調させたが、光源１１の出力を周期変調する代わりに、±１次回折光の位相差を周期変調してもよい。±１次回折光の位相差を周期変調する方法としては、例えば、図３に示すように、±１次回折光の一方の光路に電気光学素子（ＥＯＭ）を挿入して一方の回折光の位相を周期変調する方法や、±１次回折光の間に予め光路長差を設けた上で照明光の波長を周期変調する方法などがある。   In this encoder, the output of the light source 11 is periodically modulated in order to periodically modulate the signal light. However, instead of periodically modulating the output of the light source 11, the phase difference of ± first-order diffracted light may be periodically modulated. . As a method for periodically modulating the phase difference of ± first-order diffracted light, for example, as shown in FIG. 3, an electro-optic element (EOM) is inserted into one optical path of ± first-order diffracted light, and the phase of one diffracted light is adjusted. There are a method of periodically modulating, a method of periodically modulating the wavelength of illumination light after providing an optical path length difference in advance between ± first-order diffracted lights, and the like.

また、本エンコーダでは、周期変調の変調波形が正弦波に設定されたが、周期性を有した別の波形（パルス波、三角波など）に設定されてもよい。
また、本エンコーダでは、インデックス回折格子１３、移動回折格子１５の双方を透過型の回折格子としたが、何れか一方又は双方を反射型の回折格子にしてもよい。また、本エンコーダでは、インデックス回折格子１３、移動回折格子１５の双方を位相型の回折格子としたが、何れか一方又は双方を明暗からなる回折格子にしてもよい。また、本エンコーダのエンコーダ光学系（図１では、インデックス回折格子１３、ミラー１４Ａ，１４Ｂ）の構成は、同様の信号光を生成できるのであれば、他の構成に変更されてもよい。 In this encoder, the modulation waveform of the periodic modulation is set to a sine wave, but may be set to another waveform (pulse wave, triangular wave, etc.) having periodicity.
In this encoder, both the index diffraction grating 13 and the moving diffraction grating 15 are transmissive diffraction gratings, but either one or both may be reflective diffraction gratings. In this encoder, both the index diffraction grating 13 and the moving diffraction grating 15 are phase type diffraction gratings, but either one or both may be light and dark diffraction gratings. Further, the configuration of the encoder optical system (the index diffraction grating 13 and the mirrors 14A and 14B in FIG. 1) of this encoder may be changed to another configuration as long as similar signal light can be generated.

また、本発明は、他のタイプの回折干渉方式の光電式エンコーダ（１相の信号光しか生成しないものや、複数相の信号光をバーニア方式で生成するものなど）にも適用可能である。
［第２実施形態］
以下、第２実施形態を説明する。 The present invention is also applicable to other types of diffraction interference type photoelectric encoders (one that generates only one-phase signal light or one that generates a plurality of phase signal lights by a vernier method).
[Second Embodiment]
The second embodiment will be described below.

本実施形態は、影絵方式（スリットシャッター方式）の光電式リニアエンコーダの実施形態である。ここでは、第１実施形態との相違点のみ説明する。相違点は、光学系部分にある。
図４は、本エンコーダの構成図である。図４に示すとおり、本エンコーダの光学系部分には、光源１１、コリメータレンズ１２、インデックス格子１３’、移動格子１５’、受光素子１６−１，１６−２などが備えられる。 The present embodiment is an embodiment of a shadow linear (slit shutter) photoelectric linear encoder. Here, only differences from the first embodiment will be described. The difference is in the optical system part.
FIG. 4 is a configuration diagram of the encoder. As shown in FIG. 4, the optical system portion of the encoder includes a light source 11, a collimator lens 12, an index grating 13 ′, a moving grating 15 ′, light receiving elements 16-1 and 16-2, and the like.

本エンコーダの原理は、光の回折・干渉作用を利用しないので、光源１１として、可干渉性の低いもの（ＬＥＤなど）を用いることができる。光源１１の波長λは、例えば、８５０ｎｍである。
また、インデックス格子１３’及び移動格子１５’としては、格子ピッチｐの比較的大きな透過型の明暗格子（遮光部と透過部とからなる格子）が用いられる。格子ピッチｐは、例えば、４０μｍである（このとき、本エンコーダの主信号ピッチＰは格子ピッチｐと同じく４０μｍとなる。）。 Since the principle of this encoder does not use the diffraction / interference action of light, a light source 11 having low coherence (such as an LED) can be used. The wavelength λ of the light source 11 is, for example, 850 nm.
Further, as the index grating 13 ′ and the moving grating 15 ′, a transmission type bright / dark grating (grating composed of a light shielding part and a transmission part) having a relatively large grating pitch p is used. The grating pitch p is, for example, 40 μm (at this time, the main signal pitch P of the encoder is 40 μm, similar to the grating pitch p).

なお、図４中には、移動格子１５’の移動方向をＸ方向とし、格子線方向をＹ方向とし、移動格子１５’の法線方向をＺ方向とした右手系のＸＹＺ直交座標系を示した。以下、必要に応じてこの直交座標系を用いて説明する。
次に、本エンコーダの動作を説明する。光源１１から射出した照明光はコリメータレンズ１２で平行光となり、インデックス格子１３’上のＸ方向に並ぶ領域１３’−１，１３’−２を照明する。その照明光は、領域１３’−１，１３’−２に設けられた格子の透過部を透過する。 4 shows a right-handed XYZ orthogonal coordinate system in which the moving direction of the moving grid 15 ′ is the X direction, the grid line direction is the Y direction, and the normal direction of the moving grid 15 ′ is the Z direction. It was. Hereinafter, description will be made using this orthogonal coordinate system as necessary.
Next, the operation of this encoder will be described. The illumination light emitted from the light source 11 is converted into parallel light by the collimator lens 12 and illuminates the regions 13′-1 and 13′-2 arranged in the X direction on the index grating 13 ′. The illumination light passes through the transmission part of the grating provided in the regions 13′-1 and 13′-2.

インデックス格子１３’の領域１３’−１，１３’−２を透過した照明光は、移動格子１５’の領域１５’−１，１５’−２に個別に入射し、その領域１５’−１，１５’−２に設けられた格子の透過部を透過する。
領域１３’−１及び領域１５’−１を透過した照明光（信号光）は、受光素子１６−１に入射する。受光素子１６−１は、受光回路２１−１と共に信号光の光量を示す電気信号（以下、「強度信号Ｉ−１」と称す。）を生成する。この強度信号Ｉ−１の値は、移動格子１５’のＸ方向の変位ｘによって決まる。 The illumination light transmitted through the regions 13′-1 and 13′-2 of the index grating 13 ′ is individually incident on the regions 15′-1 and 15′-2 of the moving grating 15 ′. The light passes through the transmission part of the grating provided at 15'-2.
The illumination light (signal light) transmitted through the region 13′-1 and the region 15′-1 is incident on the light receiving element 16-1. The light receiving element 16-1 generates an electric signal (hereinafter referred to as “intensity signal I-1”) indicating the amount of signal light together with the light receiving circuit 21-1. The value of the intensity signal I-1 is determined by the displacement x in the X direction of the moving grating 15 ′.

領域１３’−２及び領域１５’−２を透過した照明光（信号光）は、受光素子１６−２に入射する。受光素子１６−２は、受光回路２１−２と共に信号光の光量を示す電気信号（以下、「強度信号Ｉ−２」と称す。）を生成する。この強度信号Ｉ−２の値は、移動格子１５’のＸ方向の変位ｘによって決まる。
なお、強度信号Ｉ−２の位相が強度信号Ｉ−１の位相と９０°だけずれるように、領域１３’−１，１３’−２，１５’−１，１５’−２に設けられた各格子の配置関係は予め最適化されている。 The illumination light (signal light) transmitted through the region 13′-2 and the region 15′-2 is incident on the light receiving element 16-2. The light receiving element 16-2 generates an electric signal (hereinafter referred to as “intensity signal I-2”) indicating the amount of signal light together with the light receiving circuit 21-2. The value of the intensity signal I-2 is determined by the displacement x in the X direction of the moving grating 15 ′.
Note that each of the regions 13′-1, 13′-2, 15′-1, and 15′-2 provided so that the phase of the intensity signal I-2 is shifted by 90 ° from the phase of the intensity signal I-1. The arrangement relationship of the lattice is optimized in advance.

本エンコーダの回路部分（図４の符号２１〜３２）は、第１実施形態の回路部分と同様に、光源１１の出力を周期変調することによって、受光素子１６−１，１６−２に入射する信号光の光量を周波数ｆ（＝３．３ＭＨｚ）で周期変調すると共に、受光回路２１−１，２１−２が生成した強度信号Ｉ−１，Ｉ−２を周波数ｆで復調する。
したがって、復調後の強度信号Ｉ1−１，Ｉ1−２に残存するノイズのレベルは確実に小さくなり、そのＳＮ比は向上する。そして、ＳＮ比が向上した分だけ、本エンコーダの分解能は向上する。 The circuit parts (reference numerals 21 to 32 in FIG. 4) of this encoder are incident on the light receiving elements 16-1 and 16-2 by periodically modulating the output of the light source 11 as in the circuit part of the first embodiment. The light quantity of the signal light is periodically modulated at a frequency f (= 3.3 MHz), and the intensity signals I-1 and I-2 generated by the light receiving circuits 21-1 and 21-2 are demodulated at the frequency f.
Accordingly, the level of noise remaining in the demodulated intensity signals I 1 -1 and I 1 -2 is reliably reduced, and the SN ratio is improved. Then, the resolution of the encoder improves as much as the SN ratio is improved.

因みに、仮に、本エンコーダにおいて周期変調及び復調が行われなかった場合には、エンコーダ信号処理回路２７の内挿数は、高々２０００程度であり、分解能は約２０ｎｍであった。
しかし、本エンコーダにおいて周期変調及び復調が行われると、周波数ｆ＝３．３ＭＨｚの設定下で、エンコーダ信号処理回路２７の内挿数を、１０5以上にすることができ、分解能は０．４ｎｍ以下にすることができた。実に２桁も分解能が向上した。 Incidentally, if periodic modulation and demodulation are not performed in this encoder, the interpolation number of the encoder signal processing circuit 27 is about 2000 at most and the resolution is about 20 nm.
However, when periodic modulation and demodulation are performed in this encoder, the interpolation number of the encoder signal processing circuit 27 can be set to 10 5 or more with a resolution of 0.4 nm under the setting of the frequency f = 3.3 MHz. I was able to: The resolution has improved by two digits.

なお、本エンコーダの周期変調の周波数ｆは、３．３ＭＨｚ以外の値であってもよい。但し、１ＭＨｚ以上の周波数帯域（図２（ｂ））に含まれている方が、ノイズレベルをより低減できるので望ましい。
また、本エンコーダでは、信号光を周期変調するために光源１１の出力を周期変調させたが、光源１１の出力を周期変調する代わりに、照明光の光路（例えば、コリメータレンズ１２とインデックス格子１３’との間の光路）にオプティカルチョッパを挿入して照明光を周期的にオン／オフしてもよい。 Note that the frequency f of the periodic modulation of the encoder may be a value other than 3.3 MHz. However, it is desirable that it is included in the frequency band of 1 MHz or more (FIG. 2B) because the noise level can be further reduced.
In this encoder, the output of the light source 11 is periodically modulated in order to periodically modulate the signal light. Instead of periodically modulating the output of the light source 11, the optical path of the illumination light (for example, the collimator lens 12 and the index grating 13). An optical chopper may be inserted in the optical path between and the illumination light may be turned on / off periodically.

また、本エンコーダでは、信号光を周期変調するために光源１１の出力を周期変調させたが、光源１１の出力を周期変調する代わりに、照明光の偏波面を周期変調してもよい。照明光の偏波面を周期変調する方法としては、例えば、照明光の光路（例えば、コリメータレンズ１２とインデックス格子１３’との間の光路）にファラデー素子を挿入する方法（磁気光学効果によって偏波面を変調する方法）がある。   In this encoder, the output of the light source 11 is periodically modulated in order to periodically modulate the signal light. However, instead of periodically modulating the output of the light source 11, the polarization plane of the illumination light may be periodically modulated. As a method of periodically modulating the polarization plane of the illumination light, for example, a method of inserting a Faraday element in the optical path of the illumination light (for example, the optical path between the collimator lens 12 and the index grating 13 ′) (the polarization plane by the magneto-optic effect). There is a method to modulate.

また、本エンコーダでは、周期変調の変調波形が正弦波に設定されたが、周期性を有した別の波形（パルス波、三角波など）に設定されてもよい。
また、本エンコーダは、インデックス格子１３’、移動格子１５’として透過型の格子を用いたが、何れか一方又は双方を反射型の格子にしてもよい。また、本エンコーダのエンコーダ光学系（図４では、インデックス格子１３’、移動格子１５’）の構成は、同様の信号光を生成できるのであれば、他の配置関係に変形されてもよい。 In this encoder, the modulation waveform of the periodic modulation is set to a sine wave, but may be set to another waveform (pulse wave, triangular wave, etc.) having periodicity.
In this encoder, a transmission type grating is used as the index grating 13 ′ and the moving grating 15 ′. However, either one or both may be a reflection type grating. Further, the configuration of the encoder optical system (the index grating 13 ′ and the moving grating 15 ′ in FIG. 4) of this encoder may be modified to other arrangement relationships as long as similar signal light can be generated.

また、本発明は、他のタイプの影絵方式の光電式エンコーダ（１相の信号光しか生成しないものや、複数相の信号光をバーニア方式で生成するものなど）にも適用可能である。   The present invention can also be applied to other types of shadow-type photoelectric encoders (one that generates only one-phase signal light or one that generates a plurality of phases of signal light using a vernier method).

第１実施形態の構成図である。It is a block diagram of 1st Embodiment. 一般的な受光回路の出力信号に重畳されるノイズの周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic of the noise superimposed on the output signal of a general light receiving circuit. 第１実施形態の変形例を説明する図である。It is a figure explaining the modification of 1st Embodiment. 第２実施形態の構成図である。It is a block diagram of 2nd Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

１１ 光源
１２ コリメータレンズ
１３ インデックス回折格子
１４Ａ，１４Ｂ ミラー
１５ 移動回折格子
１６−１，１６−２ 受光素子
２１−１，２１−２ 受光回路
２２−１，２２−２ 基本波成分検出回路
２６ クロック回路
２７ エンコーダ信号処理回路
３０ 光源駆動回路
３２ 光量制御回路
３１ ＤＣ成分検出回路
１３’ インデックス格子
１５’ 移動格子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Light source 12 Collimator lens 13 Index diffraction grating 14A, 14B Mirror 15 Moving diffraction grating 16-1, 16-2 Light receiving element 21-1, 21-2 Light receiving circuit 22-1, 22-2 Fundamental wave component detection circuit 26 Clock circuit 27 Encoder signal processing circuit 30 Light source drive circuit 32 Light quantity control circuit 31 DC component detection circuit 13 ′ Index grating 15 ′ Moving grating

Claims (9)

照明光を出射する照明手段と、
前記照明光の光路に配置され、格子線と交差する方向に変位する移動格子と、
前記照明光の光路に配置されたインデックス格子と、
前記移動格子と前記インデックス格子とを経由した前記照明光を検出する検出手段と、
前記照明光を変調する変調手段と
を有することを特徴とする光電式エンコーダ。 An illumination means for emitting illumination light;
A moving grating disposed in the optical path of the illumination light and displaced in a direction intersecting the grating lines;
An index grating disposed in the optical path of the illumination light;
Detecting means for detecting the illumination light via the moving grating and the index grating;
And a modulation means for modulating the illumination light. 請求項１に記載の光電式エンコーダにおいて、
前記インデックス格子は、前記照明光を２つの照明光に分岐し、
前記２つに分岐された照明光を前記移動格子に照明して干渉させる干渉光学系を有する
ことを特徴とする光電式エンコーダ。 The photoelectric encoder according to claim 1,
The index grating branches the illumination light into two illumination lights,
A photoelectric encoder, comprising: an interference optical system that illuminates and interferes with the moving grating by the illumination light branched into two. 請求項２に記載の光電式エンコーダにおいて、
前記変調手段は、前記２つの照明光のうち何れか一方の照明光を変調する
ことを特徴とする光電式エンコーダ。 The photoelectric encoder according to claim 2,
The photoelectric encoder characterized in that the modulation means modulates one of the two illumination lights. 請求項２又は請求項３に記載の光電式エンコーダにおいて、
前記インデックス格子は、前記移動格子と同じ格子間隔で前記移動格子に平行に配置された回折格子であり、
前記移動格子は、回折格子である
ことを特徴とする光電式エンコーダ。 In the photoelectric encoder according to claim 2 or claim 3,
The index grating is a diffraction grating arranged in parallel to the moving grating at the same grating interval as the moving grating,
The photoelectric encoder is characterized in that the moving grating is a diffraction grating. 請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の光電式エンコーダにおいて、
前記変調手段は、
前記照明光の光量を変調する
ことを特徴とする光電式エンコーダ。 In the photoelectric encoder according to any one of claims 1 to 4,
The modulating means includes
A photoelectric encoder that modulates the amount of the illumination light. 請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の光電式エンコーダにおいて、
前記変調手段は、
前記照明光の偏波面を変調する
ことを特徴とする光電式エンコーダ。 In the photoelectric encoder according to any one of claims 1 to 4,
The modulating means includes
A photoelectric encoder that modulates a polarization plane of the illumination light. 請求項２〜請求項４の何れか一項に記載の光電式エンコーダにおいて、
前記変調手段は、
前記２つの照明光の位相差を変調する
ことを特徴とする光電式エンコーダ。 In the photoelectric encoder according to any one of claims 2 to 4,
The modulating means includes
A photoelectric encoder that modulates a phase difference between the two illumination lights. 請求項２〜請求項４の何れか一項に記載の光電式エンコーダにおいて、
前記変調手段は、
前記照明光の波長を変調する
ことを特徴とする光電式エンコーダ。 In the photoelectric encoder according to any one of claims 2 to 4,
The modulating means includes
A photoelectric encoder that modulates the wavelength of the illumination light. 請求項１〜請求項８の何れか一項に記載の光電式エンコーダにおいて、
前記周期変調の周波数は、
略１ＭＨｚ以上である
ことを特徴とする光電式エンコーダ。
In the photoelectric encoder according to any one of claims 1 to 8,
The frequency of the periodic modulation is
A photoelectric encoder characterized by being about 1 MHz or more.
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