JP2011075581A - Optical encoder - Google Patents

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Masahiko Igaki
正彦 井垣
Akio Atsuta
暁生 熱田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To overcome the problem in an optical encoder, wherein the division accuracy deteriorates in performing electrical division when harmonic distortion is superimposed on a displacement signal. <P>SOLUTION: The optimum value is used properly in desired gap setting for the optical effective numerical aperture of a first diffraction grating so as not to include harmonic components in the light intensity distribution itself of interference fringes because the harmonic distortion superimposed on the displacement signal is caused by the inclusion of higher-order spatial frequency components in the interference fringes formed by the diffraction grating. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明はエンコーダに関し、メインスケール上に形成された回折格子に光源からの光束を入射させ、該回折格子からの複数の回折光束の重畳部分に形成される干渉縞の明暗の縞を計数することによって回折格子の移動量を測定するロータリーエンコーダやリニアエンコーダ等の光学式エンコーダに関するものである。   The present invention relates to an encoder, and causes a light beam from a light source to enter a diffraction grating formed on a main scale, and counts bright and dark fringes of interference fringes formed at a portion where a plurality of diffraction light beams from the diffraction grating overlap. The present invention relates to an optical encoder such as a rotary encoder or a linear encoder that measures the amount of movement of the diffraction grating.

従来の光学式エンコーダは一般に、光透過部と不透過部(または光反射部と非反射部)を1:1の幅をもって所定ピッチで配列した矩形波振幅格子からなるメインスケールを用いている。透過型の光学式エンコーダであれば、このようなスケールに平行光を照射して透過した矩形波パターンの光を更に光透過部と不透過部を所定ピッチで配列した矩形波振幅格子からなるインデックススケールを通して受光する。メインスケールとインデックススケールの相対移動により変調されるインデックススケールの透過光の明暗パターンを受光することにより、相対移動に伴って周期変動する変位信号を得ることができ、この変位信号を処理することにより変位量を測定することができる。一般には、インデックススケールとしては、メインスケール上の矩形波振幅格子と同様に光透過部と不透過部(または光反射部と非反射部)とが1:1の幅で交互に一定ピッチで配列されたものとされている。   Conventional optical encoders generally use a main scale composed of a rectangular wave amplitude grating in which a light transmitting portion and a non-transmitting portion (or a light reflecting portion and a non-reflecting portion) are arranged at a predetermined pitch with a width of 1: 1. In the case of a transmissive optical encoder, an index composed of a rectangular wave amplitude grating in which light of a rectangular wave pattern transmitted by irradiating parallel light to such a scale is further arranged with a light transmitting portion and a non-transmitting portion at a predetermined pitch. Light is received through the scale. By receiving the light / dark pattern of the transmitted light of the index scale modulated by the relative movement of the main scale and the index scale, a displacement signal that varies periodically with the relative movement can be obtained, and by processing this displacement signal The amount of displacement can be measured. Generally, as an index scale, like a rectangular wave amplitude grating on a main scale, light transmitting portions and non-transmitting portions (or light reflecting portions and non-reflecting portions) are alternately arranged at a constant pitch with a width of 1: 1. It is supposed to have been done.

また、互いに90°位相のずれたいわゆるA相とB相の正弦波信号を得るように、一対の矩形波振幅格子領域が用意される。更に、よく知られた方法として正弦波信号から直流オフセット電圧を除く為に、A相の逆相信号(180°位相差)とB相の逆相信号(270°位相差)を得るように合計4つの矩形波振幅格子領域が用意される。最近では、インデックススケールとその背後に配設される受光素子を一体化し、同様な機能を包含した受光素子アレイを用いる方式が普及している。   Also, a pair of rectangular wave amplitude grating regions are prepared so as to obtain so-called A-phase and B-phase sine wave signals that are 90 ° out of phase with each other. Further, as a well-known method, in order to remove the DC offset voltage from the sine wave signal, a total is obtained so as to obtain an A phase reverse phase signal (180 ° phase difference) and a B phase reverse phase signal (270 ° phase difference). Four rectangular wave amplitude grating regions are prepared. Recently, a system that integrates an index scale and a light receiving element disposed behind the index scale and uses a light receiving element array including a similar function has become widespread.

また、このような測定測置においては、測定分解能をより細分化することが要求されており、付属する計数回路において補間数を増やす手段、すなわち、電気分割手段が講じられている。変位信号の電気分割手段はいくつかの方法があるが、一般的には、変位信号に対する条件として、理想的な正弦波信号を必要とする場合が多い。   Further, in such measurement and measurement, it is required to further subdivide the measurement resolution, and means for increasing the number of interpolations in the attached counting circuit, that is, electric dividing means is taken. There are several methods for the electrical division of the displacement signal, but in general, an ideal sine wave signal is often required as a condition for the displacement signal.

上述した光学式エンコーダから得られる変位信号は、幾何光学的にはスケール格子の重なりの変化に対応する三角波あるいは台形波になる。特にピッチ寸法が比較的粗い場合には顕著である。また、可干渉性に優れた光源、例えば半導体レーザーを光源に用いた場合にもその傾向が強くなる。いずれの場合においても高次の回折光成分が影響している。このような疑似正弦波信号からなる変位信号は、理想的な正弦波信号波形からのズレ、即ち波形歪が大きく、かつその歪み率は特にメインスケールとインデックススケールの間隔の変動により大きく変動する。この歪み率の変動は、主に変位信号に含まれる奇数次(3次,5次,…)の高調波成分によるものであり、このような歪み率変動のある変位信号を用いて位置測定を行うと、大きな補間誤差が発生し位置の測定誤差となる。特に、スケールの格子ピッチが数十μmオーダーの微細なものになると、メインスケールとインデックスケール間のギャップ変動の影響が大きくなり、数十μmの僅かなギャップ変動があっても歪み成分が大きく変動することが知られている。従って、ギャップ調整は極めて厳しいものとなる。一方、スケールピッチが100μm以上の比較的粗い場合においては微細ピッチの場合に比べて、ギャップ変動に対してその歪み率変動は鈍感である。回折角度がわずかであるため有効光束領域に高次の回折光成分が取り込まれ、変位信号には多くの高次の高調波成分を含むことになる。その結果、明瞭な三角波あるいは台形波となり、疑似正弦波と呼ぶにはほど遠い波形となる。その歪率は基本波振幅に対してかなり大きな値となることが知られている。また、半導体レーザー等の可干渉性の高い光源でも高次回折光成分の位相がつぶれることなく再生され同様に変位信号には高調波成分が重畳してしまう。   The displacement signal obtained from the optical encoder described above is a triangular wave or a trapezoidal wave corresponding to the change in the overlap of the scale grating in terms of geometric optics. This is particularly noticeable when the pitch dimension is relatively coarse. In addition, when a light source having excellent coherence, for example, a semiconductor laser is used as the light source, the tendency becomes strong. In either case, a higher-order diffracted light component has an influence. The displacement signal composed of such a pseudo sine wave signal has a large deviation from an ideal sine wave signal waveform, that is, a waveform distortion, and the distortion rate varies greatly due to a change in the interval between the main scale and the index scale. This variation in distortion factor is mainly due to odd-order (third, fifth,...) Harmonic components contained in the displacement signal, and position measurement is performed using a displacement signal with such distortion factor variation. If this is done, a large interpolation error occurs, which becomes a position measurement error. In particular, when the scale lattice pitch is as fine as several tens of μm, the effect of gap variation between the main scale and the index scale increases, and the distortion component varies greatly even with slight gap variations of several tens of μm. It is known to do. Therefore, the gap adjustment is extremely strict. On the other hand, when the scale pitch is relatively coarse of 100 μm or more, the distortion rate variation is insensitive to the gap variation as compared with the case of the fine pitch. Since the diffraction angle is small, higher-order diffracted light components are taken into the effective light beam region, and the displacement signal includes many higher-order harmonic components. As a result, it becomes a clear triangular wave or trapezoidal wave, which is far from being called a pseudo sine wave. It is known that the distortion rate is considerably large with respect to the fundamental wave amplitude. Further, even a light source with high coherence such as a semiconductor laser is reproduced without collapsing the phase of the higher-order diffracted light component, and similarly, a harmonic component is superimposed on the displacement signal.

そこで、従来から上述した光学式エンコーダの高調波歪みを低減する方法がいくつか提案されている。例えば、
(1)インデックススケールの光透過部形状を正弦波状としたいわゆる正弦波格子を用いる方法(例えば、特許文献1参照。)。
(2)インデックススケール側に、奇数次高調波歪を打ち消すような位相差を与えた矩形波格子の対を用いる方法(例えば、特許文献2参照。)。
(3)インデックススケール側の光透過部と不透過部の幅を1:1ではなく、高調波歪を相殺できる比率に設定する方法(例えば、特許文献3参照。)、等である。
In view of this, several methods for reducing the harmonic distortion of the optical encoder described above have been proposed. For example,
(1) A method using a so-called sine wave grating in which the light transmitting portion of the index scale has a sine wave shape (see, for example, Patent Document 1).
(2) A method of using a pair of rectangular wave gratings provided with a phase difference that cancels odd-order harmonic distortion on the index scale side (see, for example, Patent Document 2).
(3) A method of setting the width of the light transmitting portion and the non-transmitting portion on the index scale side to a ratio that can cancel the harmonic distortion instead of 1: 1 (for example, see Patent Document 3).

このようにインデックススケール上の矩形波振幅格子の格子形状、開口比、配置、あるいは、同等の機能を果たす受光素子アレイの形状、開口比、配置等の工夫により歪みを除去、低減しようとしたものであった。
これらの施策の本質的な歪み低減の作用としては以下のように解釈できる。すなわち、メインスケールに配設された回折格子を単色の光束で照射すると、発生した回折光同士の重ね合わせの結果、このメインスケールの後方空間の回折光束重畳部分で多波光束干渉縞が形成される。この干渉縞の光強度分布には基本波以外の高調波成分が含まれて、先に示した従来の施策は、インデックススケール上に形成されてしまった高調波成分に対して各種手法の光学的な空間周波数フィルタリングを施したことに相当する。
In this way, the distortion of the rectangular wave amplitude grating on the index scale, the aperture ratio, the arrangement, or the shape, aperture ratio, arrangement, etc. of the light receiving element array that performs the same function is sought to eliminate or reduce the distortion. Met.
The essential distortion reduction effect of these measures can be interpreted as follows. In other words, when the diffraction grating arranged on the main scale is irradiated with a monochromatic light beam, multi-beam interference fringes are formed in the overlapping portion of the diffracted light beam in the rear space of the main scale as a result of overlapping of the generated diffracted lights. The The light intensity distribution of the interference fringes includes harmonic components other than the fundamental wave, and the conventional measures described above are based on optical methods of various methods for the harmonic components formed on the index scale. This is equivalent to performing a special spatial frequency filtering.

インデックススケール以外の部品での改善施策としては、メインスケールの後方空間の回折光束重畳部分で形成される多波干渉縞の光強度分布自身に高調波成分が含まれない、もしくは、低減するように、メインスケール上の矩形波振幅格子に改良を加えたいくつかの方法も提案されている。例えば、
(4)メインスケール上の矩形波振幅格子の光透過部と不透過部の幅を1:1ではなく正弦波格子と実質同じ働きをするようにピッチは変えずに光透過部と不透過部の幅を不均一な格子とする方法(例えば、特許文献4参照。)。
(5)メインスケール上の矩形波振幅格子の光透過部と不透過部の幅を1:1ではなく2:1の比率に設定する方法(例えば、特許文献5参照。)。等である。
また、メインスケールに配設された回折格子を光源からの光束で照射したとき、格子の後方空間(フレネル領域)での回折光束重畳部分で形成される光の強度分布については多くの研究がなされている(例えば、非特許文献1、2参照。)。
As an improvement measure for parts other than the index scale, the light intensity distribution itself of the multi-wave interference fringe formed in the diffracted light beam overlapping part in the space behind the main scale does not contain or reduce harmonic components. Several methods have been proposed in which improvements are made to the square wave amplitude grating on the main scale. For example,
(4) The light transmitting portion and the non-transmitting portion without changing the pitch so that the width of the light transmitting portion and the non-transmitting portion of the rectangular wave amplitude grating on the main scale is substantially the same as that of the sine wave grating instead of 1: 1. A method of forming a non-uniform lattice width (see, for example, Patent Document 4).
(5) A method of setting the width of the light transmitting portion and the non-transmitting portion of the rectangular wave amplitude grating on the main scale to a ratio of 2: 1 instead of 1: 1 (for example, see Patent Document 5). Etc.
Further, when the diffraction grating arranged on the main scale is irradiated with the light beam from the light source, much research has been conducted on the intensity distribution of the light formed in the diffracted light beam overlapping portion in the space behind the grating (Fresnel region). (For example, see Non-Patent Documents 1 and 2.)

米国特許第4,782,229号(Fig.6)US Pat. No. 4,782,229 (FIG. 6) 特許2539269号公報(第2図)Japanese Patent No. 2539269 (FIG. 2) 特許3045452号公報(第2図、第3図)Japanese Patent No. 3045452 (FIGS. 2 and 3) 特許2695623号公報Japanese Patent No. 2695623 特開平09−196705号公報JP 09-196705 A

E.Keren,O.Kafri,1985,“Diffraction effects in moire deflectometry,”J.Opt.Soc.Am.A/Vol.2,No.2/February 111−120.E. Keren, O .; Kafri, 1985, "Diffraction effects in moire defectometry," J. Opt. Soc. Am. A / Vol. 2, no. 2 / February 111-120. 光学第16巻第2号(1987年2月)プロキシミティ像の計算法大木裕史Optics Vol.16 No.2 (February 1987) Proximity Image Calculation Hiroshi Oki

しかし、上述の従来技術(1)〜(3)の方法は全て受光側のインデックススケール上の矩形波振幅格子を改良して高調波歪を低減するもので、メインスケール自体は従来と変わらない。   However, all of the above-described conventional techniques (1) to (3) improve the rectangular wave amplitude grating on the index scale on the light receiving side to reduce harmonic distortion, and the main scale itself is the same as the conventional one.

これらの方法は、原理的には、インデックススケール、およびメインスケールに対して、光源からの光束が一様に照射されていることが前提条件として必要で、その条件下でなければ所望の効果が得られない。メインスケールやインデックススケール上の光源からの照度分布が不均一な場合には従来技術(1)〜(3)のいずれの提案も十分な効果が得られない。   In principle, these methods require that the luminous flux from the light source is uniformly applied to the index scale and the main scale. If not, the desired effect can be obtained. I can't get it. When the illuminance distribution from the light source on the main scale or the index scale is not uniform, none of the proposals of the conventional techniques (1) to (3) can provide a sufficient effect.

また、比較的粗いピッチの場合においては、その除去、低減の効果は更に低いものとなる。更に、製造技術的な観点から(1)の方法では格子パターンそのものを正弦波状に形成することは、微細ピッチの場合特に技術的に難しい。   In the case of a relatively rough pitch, the effect of removing and reducing the pitch is further reduced. Furthermore, from the viewpoint of manufacturing technology, in the method (1), it is technically difficult to form the lattice pattern itself in a sine wave shape particularly in the case of a fine pitch.

本来、変位信号の高調波成分は、メインスケールに配設された回折格子で発生した回折光同士の重ね合わせの結果、回折光束重畳部分に形成される多波光束干渉縞に高次の空間周波数成分が重畳していることに起因している。このことは当業者においては周知の事柄である。   Originally, the harmonic component of the displacement signal is a high-order spatial frequency in the multi-beam interference fringes formed on the diffracted beam overlap part as a result of the overlapping of the diffracted beams generated by the diffraction gratings arranged on the main scale. This is because the components are superposed. This is well known to those skilled in the art.

そこで、より効果的な歪み除去、低減方法としては、上記のインデックススケール上に投影された多波光束干渉縞の光強度分布自身に高調波成分が含まれないようにすることが肝要である。すなわち、メインスケールでの回折像について改良を加え、歪みの発生原因を絶つことが有効である。   Therefore, as a more effective distortion removal and reduction method, it is important to prevent the harmonic component from being included in the light intensity distribution itself of the multi-wave beam interference fringes projected on the index scale. That is, it is effective to improve the diffraction image on the main scale and eliminate the cause of distortion.

この点において、従来技術(4)および(5)の方法は、根本的にインデックススケール上に投影、重畳される干渉縞の光強度分布に高調波成分を含まないように、メインスケール上の矩形振幅格子を改良する施策例である。   In this respect, the methods of the prior arts (4) and (5) are basically rectangular on the main scale so as not to include harmonic components in the light intensity distribution of interference fringes projected and superimposed on the index scale. This is an example of a measure for improving the amplitude grating.

しかし、従来技術(4)では、先の従来技術(1)〜(3)と同様にスケール上の照度分布が一様であることが求められる。メインスケール面上に不均一な開口比を有した格子を適宜分散配置する構成をとるがこの方法では、先に指摘した照度分布ムラの影響を受けてしまう。また、位置検出装置としての検出精度を決定する主要な部品であるメインスケールに対してピッチ精度を高精度に保ち、かつ不均一な開口比を正確に格子パターン形成することは製造技術的にも難しい。   However, in the prior art (4), the illuminance distribution on the scale is required to be uniform as in the prior arts (1) to (3). Although a structure in which lattices having a non-uniform aperture ratio are appropriately distributed on the main scale surface is adopted, this method is affected by the illuminance distribution unevenness previously pointed out. In addition, it is also in terms of manufacturing technology to maintain a high pitch accuracy with respect to the main scale, which is the main component that determines the detection accuracy as a position detection device, and to accurately form a non-uniform aperture ratio. difficult.

従来技術(5)の方法は、メインスケール上の矩形波振幅格子の開口幅を変更するだけで高調波歪み低減が可能であるとされている。メインスケール上の格子の有効領域全体にわたって一様に格子の開口幅を変更するので照度ムラがあっても歪み低減効果は失われず、また、メインスケール上のピッチ精度を高精度に保ちつつ所望の開口比を設定することは製造技術的にも容易であり、経済的な効果も大きいと考えられ、実用上かなり有効な手段であると評価できる。   According to the method of the prior art (5), harmonic distortion can be reduced only by changing the opening width of the rectangular wave amplitude grating on the main scale. Since the aperture width of the grating is changed uniformly over the entire effective area of the grating on the main scale, the distortion reduction effect is not lost even if there is uneven illumination, and the desired pitch accuracy on the main scale is maintained while maintaining a high accuracy. Setting the aperture ratio is easy in terms of manufacturing technology and is considered to have a great economic effect, and can be evaluated as a practically effective means.

しかし、従来技術(5)の方法、すなわち、光透過部と不透過部の幅を1:1ではなく2:1の比率に設定する方法ではある特定のギャップ位置でしか成立しない。よって、任意のギャップでの歪み低減は不可能であることが詳細なシミュレーションと実験検討により明らかになった。   However, the method of the prior art (5), that is, the method of setting the width of the light transmitting portion and the non-transmitting portion at a ratio of 2: 1 instead of 1: 1 can be realized only at a specific gap position. Therefore, detailed simulations and experimental studies have revealed that it is impossible to reduce distortion at any gap.

この従来技術(5)における問題点については適宜参考文献5の本文、図を引用し、図17(A)、(B)により以下に従来技術(5)を説明する。   As for the problems in the prior art (5), the text of the reference document 5 and figures are appropriately cited, and the prior art (5) will be described below with reference to FIGS. 17A and 17B.

図17(A)は全体の主要部の構成を示す図である。図において、メインスケール1は、光透過部11及び不透過部12がピッチPで配列され、かつ光透過部11の幅が2P/3に設定された透過型のメインスケールであり、インデックススケール3は光透過部及び不透過部が1:1の幅をもってピッチPで配列されたインデックススケール3である。   FIG. 17A is a diagram showing the configuration of the entire main part. In the figure, a main scale 1 is a transmissive main scale in which light transmitting portions 11 and non-transmitting portions 12 are arranged at a pitch P, and the width of the light transmitting portion 11 is set to 2P / 3. Is an index scale 3 in which light transmitting portions and non-transmitting portions are arranged at a pitch P with a width of 1: 1.

この構成において、従来技術(5)では発明の作用、効果は以下のように説明されている。
なお、文献引例中、図4は本明細書では図17(B)に置き換えた。
「・・・・・この実施例においては、前述のようにメインスケール1の光透過部11が2P/3の幅に設定されており、これにより疑似正弦波である変位出力信号の3次高調波が除去される。その原理を図4(⇒図17(B))を参照して説明する。メインスケール1のピッチをPとし、光透過部11の幅を一般にLとして、平行光が照射されたときこのメインスケール1の透過光パターンは、直進光成分のみを考えると、図4(⇒図17(B))に示すように矩形波パターンとなる。このとき変位方向xについての透過光量パターンI(x)は、フーリエ展開によって、次式数1で表される。
In this configuration, in the prior art (5), the operation and effect of the invention are described as follows.
In the literature reference, FIG. 4 is replaced with FIG. 17B in this specification.
"... In this embodiment, as described above, the light transmission part 11 of the main scale 1 is set to a width of 2P / 3, whereby the third harmonic of the displacement output signal which is a pseudo sine wave. The principle will be described with reference to Fig. 4 (⇒ Fig. 17B), where the pitch of the main scale 1 is P, the width of the light transmission part 11 is generally L, and parallel light is irradiated. When this is done, the transmitted light pattern of the main scale 1 is a rectangular wave pattern as shown in Fig. 4 (⇒ Fig. 17B) considering only the straight light component. The pattern I (x) is expressed by the following formula 1 by Fourier expansion.

Figure 2011075581
Figure 2011075581

数式1において、C,Dは定数である。この様なメインスケール1の透過光量パターンに対して更に受光側のインデックススケール3による変調がかかって、疑似正弦波出力が得られることになる。数1から明らかなように、最も大きい奇数次の高調波成分である3次高調波、即ちn=3に着目すると、L=P/3または、L=2P/3に設定したときに、右辺の第1項,第2項共に係数が0となる。従って、L=2P/3に設定されたこの実施例によれば、3次高調波成分が除去された、より正弦波に近い変位信号が得られることになる。・・・・・」
参考文献からの引用部分 終わり。
In Equation 1, C and D are constants. Such a transmitted light quantity pattern of the main scale 1 is further modulated by the index scale 3 on the light receiving side, and a pseudo sine wave output is obtained. As is clear from Equation 1, when attention is paid to the third harmonic, which is the largest odd-order harmonic component, that is, n = 3, when L = P / 3 or L = 2P / 3, the right side The coefficient is 0 for both the first and second terms. Therefore, according to this embodiment in which L = 2P / 3 is set, a displacement signal closer to a sine wave from which the third harmonic component is removed can be obtained. ...... "
Citation from reference end.

上記参考文献記述に含まれる問題点を整理すると
第一に、数式1で表現された強度パターンI(x)は格子の強度透過率分布を表し、メインスケール直後の光強度分布としては確かにこのような矩形パターンを想定することに問題はないが、図17(A)のように、実際のエンコーダの構成においてはメインスケールとインデックススケールは間隔(ギャップ=z)を設けることになる。その状態でのインデックススケール上に重畳する干渉縞の光強度分布を表していない。
To summarize the problems included in the above reference description, first, the intensity pattern I (x) expressed by Equation 1 represents the intensity transmittance distribution of the grating, and this is certainly the light intensity distribution immediately after the main scale. There is no problem in assuming such a rectangular pattern, but in the actual encoder configuration, as shown in FIG. 17A, the main scale and the index scale are provided with an interval (gap = z). The light intensity distribution of the interference fringes superimposed on the index scale in that state is not shown.

すなわち、光強度分布として少なくともI(x、z)として表現する必要がある。   That is, it is necessary to express at least I (x, z) as the light intensity distribution.

数式1の強度分布I(x)表現が近似的に成立するのは下記の特定ギャップ位置=zにおいてのみである。 The expression of the intensity distribution I (x) in Equation 1 is approximately established only at the following specific gap position = z n .

Figure 2011075581
Figure 2011075581

この特定ギャップ位置zにおいて現れる、格子の強度透過率分布に比例するこの強度分布はフーリエイメージと呼ばれている。 This intensity distribution proportional to the intensity transmittance distribution of the grating appearing at this specific gap position z n is called a Fourier image.

第二に、従来技術(5)の説明にしたがって、仮に数式1が近似的に成立する上記のフーリエイメージが生成されるギャップ位置:zにおいて、メインスケールの光学有効開口比(=光透過部と不透過部の幅の比)を1:1ではなく2:1の比率に設定した場合を考えてみる。変位波形に含まれる3次高調波成分の生成に寄与しているのは矩形波振幅格子においては、発生する回折光束の内、強度として無視できないレベルの0次、±1次、±2次、±3次回折光成分の組み合わせで、(0、+3)、(0、−3)、(+1、−2)、(−1、+2)で形成される。従来技術(5)において開口比2:1(1:2でもよいとされている)の場合には3次回折光が次数欠如(missing order)となるので(0、+3)、(0、−3)の組み合わせは除去される。しかし、(+1、−2)、(−1、+2)の組み合わせでの成分は残存し、(+1、−2)、(−1、+2)が180°の位相関係でキャンセルされる場合を除いて3次成分の歪みが除去されることはない。 Secondly, according to the description of the prior art (5), the optical effective aperture ratio of the main scale (= light transmission portion) at the gap position: z n where the above Fourier image in which Equation 1 is approximately established is generated. Let us consider a case in which the ratio of the width of the non-transmissive portion is set to a ratio of 2: 1 instead of 1: 1. The rectangular wave amplitude grating contributes to the generation of the third-order harmonic component included in the displacement waveform. Among the generated diffracted light beams, the zero-order, ± 1st-order, ± 2nd-order, and so on, which cannot be ignored as the intensity, A combination of ± 3rd order diffracted light components is formed by (0, +3), (0, −3), (+1, −2), and (−1, +2). In the prior art (5), when the aperture ratio is 2: 1 (it may be 1: 2), the third-order diffracted light becomes a missing order (0, +3), (0, -3). ) Is removed. However, the component in the combination of (+1, −2) and (−1, +2) remains, and (+1, −2) and (−1, +2) are canceled with a phase relationship of 180 °. Therefore, the distortion of the third order component is not removed.

以上のことから、従来技術(5)でのI(x)はメインスケール面の透過光パターンをフーリエ展開しているにすぎず、メインスケール後方の回折空間における光の強度分布は示していない。従って、メインスケールの光学有効開口の比を変えることで高次の高調波成分を除去するためには、回折格子の光学有効開口比を「AR」、ギャップ寸法を「z」として、メインスケール上の回折格子の後方に形成される光強度分布:   From the above, I (x) in the prior art (5) is merely a Fourier expansion of the transmitted light pattern on the main scale surface, and does not show the light intensity distribution in the diffraction space behind the main scale. Therefore, in order to remove higher-order harmonic components by changing the ratio of the optical effective aperture of the main scale, the optical effective aperture ratio of the diffraction grating is set to “AR” and the gap dimension is set to “z”. Light intensity distribution formed behind the diffraction grating:

Figure 2011075581
Figure 2011075581

を明らかにする必要がある。 It is necessary to clarify.

いわゆる回折理論に基づいた光強度分布を取り扱う必要があるが、その分野の中で、特に「格子のフレネル領域で回折像」に関する研究は、一般刊行物(学会論文、あるいは書籍等)の中で詳しく研究されている。(例えば、非特許文献1,2参照。)。しかし、回折格子の開口幅と高調波歪みに関する検討例は少ない。   It is necessary to deal with the light intensity distribution based on the so-called diffraction theory, but research on “diffracted images in the Fresnel region of the grating” in that field is in general publications (academic papers or books). It has been studied in detail. (For example, refer nonpatent literatures 1 and 2.). However, there are few studies on the diffraction grating aperture width and harmonic distortion.

この発明は、上記の事情を考慮してなされたもので、
・回折格子による干渉像について関係式I(x、y、z、AR、λ)を簡便な方法で導くこと、
・メインスケール上の矩形波振幅格子の開口比:ARとギャップ:ギャップ:zに配置されたインデックススケール上の干渉像のx方向光強度分布I(x)に含まれる高調波歪み:Dを定量的に把握し、それらの関係を明らかにすること、
・その結果に基づいて、適切なギャップ位置(z)において、メインスケール上の矩形波振幅格子の開口比:ARを制御することで効果的に変位信号の高調波歪を低減、除去して高精度化を図った光学式エンコーダを提供することを目的としている。
This invention was made in consideration of the above circumstances,
Deriving the relational expression I (x, y, z, AR, λ) by a simple method for the interference image by the diffraction grating,
Aperture ratio of rectangular wave amplitude grating on main scale: AR and gap: gap: harmonic distortion contained in x-direction light intensity distribution I (x) of interference image on index scale arranged at z To understand and clarify their relationship,
Based on the result, at the appropriate gap position (z), the harmonic distortion of the displacement signal can be effectively reduced and removed by controlling the aperture ratio: AR of the rectangular wave amplitude grating on the main scale. An object of the present invention is to provide an optical encoder with improved accuracy.

上記課題を解決するために、本発明では、光源と、前記光源に対して相対的に移動し、前記光源から発光された光束を回折するための第1の回折格子を有するスケールと、複数の受光素子を有し、前記第1の回折格子で回折された回折光束が重畳されて形成される干渉縞を受光し、出力信号を得る受光素子アレイと、前記出力信号から前記光源と前記スケールの相対移動量を演算する演算部と、を有する光学式エンコーダにおいて、
前記第1の回折格子の光学有効開口率ARが40±5%、もしくは72±5%であることを特徴とする。
In order to solve the above-described problem, in the present invention, a light source, a scale that moves relative to the light source, and has a first diffraction grating for diffracting a light beam emitted from the light source, A light receiving element array that receives interference fringes formed by superimposing the diffracted light beams diffracted by the first diffraction grating and obtains an output signal; and from the output signal, the light source and the scale In an optical encoder having a calculation unit for calculating a relative movement amount,
The optical effective aperture ratio AR of the first diffraction grating is 40 ± 5% or 72 ± 5%.

また、本発明では、光源と、前記光源に対して相対的に移動し、前記光源から発光された光束を回折するための第1の回折格子を有するスケールと、複数の受光素子を有し、前記第1の回折格子で回折された回折光束が重畳されて形成される干渉縞を受光し、出力信号を得る受光素子アレイと、前記出力信号から前記光源と前記スケールの相対移動量を演算する演算部と、を有する光学式エンコーダにおいて、Further, the present invention includes a light source, a scale that moves relative to the light source, and has a first diffraction grating for diffracting a light beam emitted from the light source, and a plurality of light receiving elements. A light receiving element array that receives an interference fringe formed by superimposing diffracted light beams diffracted by the first diffraction grating and obtains an output signal, and calculates a relative movement amount of the light source and the scale from the output signal. In an optical encoder having a calculation unit,
前記第1の回折格子の光学有効開口率をAR、前記第1の回折格子と前記受光素子アレイのギャップをz、としたとき、When the optical effective aperture ratio of the first diffraction grating is AR, and the gap between the first diffraction grating and the light receiving element array is z,
z<2mmの範囲において、前記光学有効開口率ARが44±5%、もしくは、78±5%In the range of z <2 mm, the optical effective aperture ratio AR is 44 ± 5% or 78 ± 5%.
の範囲にあることを特徴とする。It is characterized by being in the range of

従来、光学式エンコーダにおいてその出力信号波形に高調波歪み除去、低減を目的に、回折格子の光学有効開口比で正確に高調波歪み成分を除去できるものは無かった。   Conventionally, there has been no optical encoder that can accurately remove harmonic distortion components with the optical effective aperture ratio of the diffraction grating for the purpose of removing and reducing harmonic distortion in the output signal waveform.

本発明では、スカラー回折理論に基づいて格子後方空間の光強度分布I(x、y、z、AR)を求め、その中の高調波成分が最小となるギャップ位置を開口比ARとの関係で決定し、その値でギャップ設定することで狙った成分の低減除去か正確に行われる。   In the present invention, the light intensity distribution I (x, y, z, AR) in the space behind the grating is obtained based on the scalar diffraction theory, and the gap position in which the harmonic component is minimized is related to the aperture ratio AR. By determining and setting the gap with that value, the targeted component is reduced or removed accurately.

特に、最も波形歪みに影響の大きい3次高調波成分除去においてその効果は絶大である。   In particular, the effect is tremendous in removing third-order harmonic components that have the greatest influence on waveform distortion.

また、メインスケール上の格子の光学有効開口比制御のみで効果が得られるので経済的である。メインスケール全域にわたって均一な開口比を作り込むので従来技術のように不均一に開口を作り込む必要はなく、等間隔で均一にピッチ、および開口幅を形成、製造することの方が容易である。   Moreover, since the effect can be obtained only by controlling the optical effective aperture ratio of the grating on the main scale, it is economical. Since a uniform aperture ratio is created over the entire main scale, it is not necessary to create non-uniform apertures as in the prior art, and it is easier to form and manufacture pitches and aperture widths uniformly at equal intervals. .

更に、他の波形歪み除去手段と併用することが容易で全体の歪み除去効果が更に高まる。例えば、従来技術にみられるインデックススケールによる光学的なフィルタリングを同時に実施することで除去成分を分担して対策することも可能となる。本発明によるメインスケールで3次高調波成分を除去し、インデックススケールで5次成分を除去するように構成することも可能となる。   Furthermore, it is easy to use together with other waveform distortion removing means, and the entire distortion removing effect is further enhanced. For example, it is possible to share the removal component and take countermeasures by simultaneously performing optical filtering using the index scale found in the prior art. It is also possible to remove the third-order harmonic component with the main scale according to the present invention and remove the fifth-order component with the index scale.

本発明は、適用するスケールとして、透過、反射両方のタイプで適用可能であり、また、実施形で示したリニアタイプに制限されるものではなく、ロータリタイプの放射状格子にも適用可能である。また、円筒曲面に配置した円筒スケールに対しても曲面の影響をある程度考慮して同様に適用可能である。   The present invention can be applied to both transmission and reflection types as scales to be applied, and is not limited to the linear type shown in the embodiment, and can also be applied to a rotary type radial grating. In addition, the present invention can be similarly applied to a cylindrical scale arranged on a cylindrical curved surface in consideration of the influence of the curved surface to some extent.

また、メインスケールを照射する光束についても平行光束照明に限らず、発散光束でメインスケールを照明するタイプへも適用可能で同様の効果が得られ、照明系のタイプに応じて本発明の基本的な考え方を適用することで対応可能である。   Further, the luminous flux irradiating the main scale is not limited to the parallel luminous flux illumination, but can be applied to a type illuminating the main scale with a divergent luminous flux, and the same effect can be obtained. This can be done by applying various ideas.

本発明の実施例の全体構成図と光学系の図FIG. 1 is a diagram showing the overall configuration of an embodiment of the present invention and an optical system 電気信号ユニット部の概要を説明するための図Diagram for explaining the outline of the electrical signal unit 本発明の光学スケールを説明するための図The figure for demonstrating the optical scale of this invention 回折理論の計算式を説明するための図Diagram for explaining the calculation formula of diffraction theory 矩形波振幅格子の回折効率を示す図Diagram showing diffraction efficiency of square wave amplitude grating スケール開口率ARと実際の回折光の関係を示す図Diagram showing the relationship between the scale aperture ratio AR and the actual diffracted light スカラー理論に基づいて算出された変位方向xとギャップzの関係で光強度分布を示すThe light intensity distribution is shown by the relationship between the displacement direction x calculated based on the scalar theory and the gap z. 本発明の実施例1の適用事例1を説明するためのグラフThe graph for demonstrating the application example 1 of Example 1 of this invention 本発明の実施例1の適用事例2を説明するためのグラフThe graph for demonstrating the application example 2 of Example 1 of this invention 本発明の実施例1の適用事例3を説明するためのグラフThe graph for demonstrating the application example 3 of Example 1 of this invention 本発明の実施例1の適用事例3を説明するためのグラフThe graph for demonstrating the application example 3 of Example 1 of this invention 本発明の実施例1の具体的な適用事例を説明するためのグラフThe graph for demonstrating the specific application example of Example 1 of this invention 本発明の実施例2の反射式エンコーダの構成を示す図The figure which shows the structure of the reflective encoder of Example 2 of this invention. 本発明の実施例2の発散光束照明系の光学等価モデル図Optical equivalent model diagram of divergent light beam illumination system of Embodiment 2 of the present invention 本発明の実施例2の具体的な適用事例4を説明するためのグラフThe graph for demonstrating the specific application example 4 of Example 2 of this invention 本発明の実施例3の円筒体に取り付けたタイプの構成を説明するための図The figure for demonstrating the structure of the type attached to the cylindrical body of Example 3 of this invention. 従来技術の図Prior art diagram

本発明は光学式エンコーダのメインスケール上の格子形状に対して変更を加え、このスケール透過後の後方空間においてスケール変位方向xについて光学的な強度分布高調波歪みの最小となる回折格子の開口率ARおよびギャップ位置zを算出し、メインスケールの開口率ARとそのギャップ位置zにインデックススケールを配置するようにした。
具体的な方法を以下に示す。
The present invention changes the grating shape on the main scale of the optical encoder, and the aperture ratio of the diffraction grating that minimizes the optical intensity distribution harmonic distortion in the scale displacement direction x in the rear space after the transmission through the scale. The AR and the gap position z are calculated, and the index scale is arranged at the aperture ratio AR of the main scale and the gap position z.
A specific method is shown below.

実施例1)
以下、本発明の実施の形態を、図面に従って説明する。図1には、本実施形態の光学式エンコーダの概略構成が示されている。等間隔の格子が形成されたメインスケール110は、移動する測定対象物に固定され、図中矢印で示す格子配列方向(x軸方向)に移動する。また、メインスケール110は、光源112からの光を受けて、後方に干渉縞を形成する。本実施例では、メインスケール110に形成された格子は、矩形波振幅格子(第1格子)として機能する。
Example 1)
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a schematic configuration of the optical encoder of the present embodiment. The main scale 110 on which lattices with equal intervals are formed is fixed to a moving measurement object and moves in the lattice arrangement direction (x-axis direction) indicated by an arrow in the figure. The main scale 110 receives light from the light source 112 and forms interference fringes behind it. In this embodiment, the grating formed on the main scale 110 functions as a rectangular wave amplitude grating (first grating).

受光素子アレイ114は、メインススケール110の回折によって干渉縞が形成される位置に固定配置される。受光素子アレイ114上には、格子状に受光素子が4つの領域に配列されている。図中、上下および左右、4つの受光素子エリアについて説明する。   The light receiving element array 114 is fixedly arranged at a position where an interference fringe is formed by diffraction of the mains scale 110. On the light receiving element array 114, light receiving elements are arranged in four areas in a lattice pattern. In the figure, the four light receiving element areas will be described.

図中、上右側の受光素子(以下a相受光素子)116と上左側の受光素子(b相受光素子)117と下右側の受光素子(c相受光素子)118と下左側の受光素子(d相受光素子)119は、それぞれ干渉縞のピッチに等しいピッチで格子が形成され、互いに1/4ピッチ、すなわち90°の位相をもって配置されている。a相を基準にした場合、b相は90度、c相は180度、d相は270度の位相関係にある。各a相、b相、c相、d相受光素子1116,117、118、119は光を受けると、その光量に応じた電圧を発生する。従って、スケール110の移動と共にa相〜d相受光素子116〜119は変動する電圧信号を出力する。このように、格子状に形成されたA相〜D相受光素子116〜119は、a相〜d相検出用光学格子を有するインデックススケール120(第2格子)に置き換え、その後方にそれぞれの検出用光学格子に対応した受光素子a〜dを配置した構成にしても良い。a相〜d相受光素子116〜119の出力信号は、電気回路ユニット121に送出される。   In the figure, an upper right light receiving element (hereinafter a phase light receiving element) 116, an upper left light receiving element (b phase light receiving element) 117, a lower right light receiving element (c phase light receiving element) 118, and a lower left light receiving element (d The phase light-receiving elements 119 are each formed with a lattice having a pitch equal to the pitch of the interference fringes, and are arranged with a quarter pitch, that is, with a phase of 90 °. When the a phase is used as a reference, the b phase is 90 degrees, the c phase is 180 degrees, and the d phase is 270 degrees. When each of the a-phase, b-phase, c-phase, and d-phase light receiving elements 1116, 117, 118, and 119 receives light, it generates a voltage corresponding to the amount of light. Therefore, as the scale 110 moves, the a-phase to d-phase light receiving elements 116 to 119 output varying voltage signals. In this manner, the A-phase to D-phase light receiving elements 116 to 119 formed in a lattice shape are replaced with the index scale 120 (second lattice) having the a-phase to d-phase detection optical grating, and each detection is performed behind the index scale 120. The light receiving elements a to d corresponding to the optical gratings may be arranged. Output signals of the a-phase to d-phase light receiving elements 116 to 119 are sent to the electric circuit unit 121.

図2には、電気回路ユニット121の概略回路構成が示されている。
電気回路ユニット121は、光源112の発光回路、アナログ信号処理部123、およびスケール110の移動量を算出して測定対象物の位置を求める位置演算部122とを含む。
FIG. 2 shows a schematic circuit configuration of the electric circuit unit 121.
The electric circuit unit 121 includes a light emitting circuit of the light source 112, an analog signal processing unit 123, and a position calculation unit 122 that calculates the amount of movement of the scale 110 to obtain the position of the measurement object.

アナログ信号処理部123では、各受光素子の増幅回路、逆位相の受光素子、すなわち、a相とc相、の差動出力としてA相を、b相とd相との差分としてB相の出力信号を得ている。位置演算部122に入力されるアナログ信号処理部23からの出力信号VA,VBは、交流成分Va,Vbと、直流成分Vref2に分けることができる。   In the analog signal processing unit 123, the amplification circuit of each light receiving element, the light receiving element having the opposite phase, that is, the A phase as a differential output between the a phase and the c phase, and the B phase output as a difference between the b phase and the d phase. Getting a signal. The output signals VA and VB from the analog signal processing unit 23 input to the position calculation unit 122 can be divided into AC components Va and Vb and a DC component Vref2.

位置演算部122は、まず、A相(VA=Va+Vref2)またはB相(VB=Vb+Vref2)の出力信号から、信号のピークを計数して回折による干渉縞の通過した本数を得る。干渉縞のピッチに計数した本数を乗じれば、スケール110の移動量がおおよそ分かる。干渉縞ピッチ以下の移動量の算出は、A相およびB相の出力信号の交流成分に基づき、位相角を算出することによって求められる。
この実施例ではA、B相の正弦波状信号を逆正接演算して逆正接値(ArcTan値)を求め位相角を算出している。
The position calculator 122 first obtains the number of interference fringes due to diffraction by counting the signal peaks from the output signal of the A phase (VA = Va + Vref2) or the B phase (VB = Vb + Vref2). If the pitch of the interference fringes is multiplied by the counted number, the amount of movement of the scale 110 can be roughly understood. The amount of movement below the interference fringe pitch can be calculated by calculating the phase angle based on the AC components of the A-phase and B-phase output signals.
In this embodiment, the phase angle is calculated by calculating an arctangent value of the A and B phase sine wave signals to obtain an arctangent value (ArcTan value).

図3には、本発明を適用した部品であるメインスケール110の断面図を示す。
メインスケール110に配設された回折格子は等間隔の格子が配設され、ピッチ寸法をPとした矩形波振幅格子で、光透過部の幅d(=光学有効開口幅)としている。ピッチ寸法Pに対する光学有効開口幅の占める割合=光学有効開口率(Aperture Ratio)をARとし、以下のように定義する。
FIG. 3 shows a cross-sectional view of a main scale 110 that is a component to which the present invention is applied.
The diffraction grating disposed on the main scale 110 is a rectangular wave amplitude grating having a pitch of P, and having a pitch dimension of P, and has a width d (= optical effective aperture width) of the light transmitting portion. The ratio of the optical effective aperture width to the pitch dimension P = the optical effective aperture ratio (Aperture Ratio) is AR, and is defined as follows.

Figure 2011075581
Figure 2011075581

このメインスケールに光源112から発散放射された光束はコリメータレンズ113により略平行光束となってメインスケール110に照射される。このとき、メインスケールの変位方向をx軸、ギャップ方向をz軸にとり、メインスケール110の強度透過率分布I(x、z)は、z=0において、図3下に示すような矩形パターンとなり、下記のように表される。 A light beam diverging and radiating from the light source 112 to the main scale is irradiated to the main scale 110 as a substantially parallel light beam by the collimator lens 113. At this time, taking the displacement direction of the main scale as the x-axis and the gap direction as the z-axis, the intensity transmittance distribution I (x, z) of the main scale 110 becomes a rectangular pattern as shown in the lower part of FIG. Is expressed as follows.

Figure 2011075581
Figure 2011075581

本発明ではメインスケールの開口率ARを主要設計パラメーターとして扱い、ターゲットとした高調波歪み成分が最小となるようにARの値が最適化される。本実施例では変位信号である、A、B相信号に含まれる不要な3次高調波成分の振幅低減を目的としており以下にその低減方法を示す。   In the present invention, the aperture ratio AR of the main scale is handled as a main design parameter, and the value of AR is optimized so that the target harmonic distortion component is minimized. The present embodiment aims to reduce the amplitude of unnecessary third-order harmonic components included in the A and B phase signals, which are displacement signals, and a method for reducing the amplitude will be described below.

この目的のために、はじめに、本発明での回折計算の方法について簡単に説明する。
本発明では、メインスケールに配設された回折格子を光源からの光束で照射したとき、その格子により発生した回折光同士の自然な重ね合わせの結果、格子の後方空間の回折光束重畳部分で形成される光の強度分布について回折計算を行っている。
For this purpose, the diffraction calculation method according to the present invention will be briefly described first.
In the present invention, when the diffraction grating disposed on the main scale is irradiated with the light beam from the light source, as a result of natural superposition of the diffracted light generated by the grating, the diffraction grating is formed in the diffracted light beam overlapping portion in the space behind the grating. Diffraction calculation is performed on the intensity distribution of the light.

回折理論には、光の偏光状態や開口の電磁気学的性質の影響を無視したスカラー回折理論とそれらの影響を考慮したベクトル回折理論とがある。本発明ではスカラー回折理論に基づいて上記の回折計算を実施した。スカラー理論の適用に当たっては、メインスケールとインデックススケール間のギャップについては少なくとも一波長以上の寸法を前提とし、また、光源波長をλとし、今その値を仮に0.65μmとすれば10倍程度のピッチ、すなわちP=6.5μm以上の範囲においてはスカラー理論で厳密解と相違ないプロフィールが得られることが既に示されている(非特許文献2参照。)。
スカラー理論では一般にフレネル積分の形で求められる。
The diffraction theory includes a scalar diffraction theory that ignores the influence of the polarization state of the light and the electromagnetic properties of the aperture, and a vector diffraction theory that takes those influences into account. In the present invention, the above diffraction calculation is performed based on the scalar diffraction theory. In applying the scalar theory, the gap between the main scale and the index scale is premised on at least one wavelength, and if the light source wavelength is λ and the value is assumed to be 0.65 μm, it is about 10 times. It has already been shown that a profile that is not different from the exact solution can be obtained by the scalar theory in the range of pitch, that is, P = 6.5 μm or more (see Non-Patent Document 2).
In scalar theory, it is generally obtained in the form of Fresnel integrals.

フレネル積分による方法は図4において   The method using Fresnel integration is shown in FIG.

Figure 2011075581
Figure 2011075581

と近似し、開口部全域にわたって回折積分を行うことにより得られる。
Inclination factorを一定とおいて次式で与えられる。
And is obtained by performing diffraction integration over the entire opening.
It is given by the following equation, with the Inclination factor being constant.

Figure 2011075581
Figure 2011075581

ところで、回折面で生じているのはあくまでもフラウンーファー回折であり、スカラー理論であっても像振幅分布は平面波の和の形で表されなくてはならない。
強度分布Iはこのとき
By the way, what is generated on the diffractive surface is only Fraunhofer diffraction, and even with the scalar theory, the image amplitude distribution must be expressed in the form of the sum of plane waves.
The intensity distribution I is

Figure 2011075581
Figure 2011075581

で与えられる。ここにTnはn次回折光の振幅である。 Given in. Here, Tn is the amplitude of the nth-order diffracted light.

Figure 2011075581
Figure 2011075581

(6)式と(7)式は実際の計算で微妙に異なる結果を与えるが先の適用範囲において計算結果はほぼ一致し、また、フレネル積分表現での計算結果には強度プロファイルに微細なリップルが多く発生し、その発生状況も積分範囲を変えるとリップルの形状も変化する。(5)式の近似の正当性に疑問が生じるところでその点では進行平面波の重ね合わせで表現した(7)式ではリップルは現れず、計算も簡便である。更にここで扱うべき波形歪みに関与する空間周波数成分を考えるにあたっては対象となる高調波成分はたかだか3次〜多くても9次程度までの範囲であるから関与する回折波の数としては5次回折光まで考慮すれば十分と考えられる。 Equations (6) and (7) give slightly different results in the actual calculation, but the calculation results are almost the same in the previous application range, and the calculation result in the Fresnel integral expression has a fine ripple in the intensity profile. When the integration range is changed, the shape of the ripple also changes. In the point where the validity of the approximation of equation (5) is questioned, ripples do not appear in equation (7) expressed by superposition of traveling plane waves, and the calculation is simple. Furthermore, when considering the spatial frequency components involved in the waveform distortion to be handled here, the target harmonic components are at most in the range from the 3rd order to the 9th order at most, so the number of diffracted waves involved is 5 It is considered sufficient to consider even the folding light.

表1に回折波の組み合わせと発生する高調波成分の次数の関係を示した。本実施例では3次高調波成分の除去を考える。
計算式導出に当たり、回折強度として5次回折光の強度レベルを無視し、±3次回折光までを計算対象とした。従って、3次高調波成分の回折光の組み合わせとして、変位波形に含まれる3次高調波成分の生成に影響しているのは矩形波振幅格子においては、主に、0次、±1次、±2次、±3次回折光成分の組み合わせで、(0、+3)、(0、−3)、(+1、−2)、(−1、+2)でのみ形成される。なお、本実施例ではインデックススケールの各受光素子の開口幅はインデックススケールのピッチPとし、その1/2としており、更に電気信号の処理回路構成で180°反転信号の差動増幅をしているので幅偶数次数の高調波成分はキャンセルされ、考慮する必要はない。
Table 1 shows the relationship between the combination of diffracted waves and the order of the generated harmonic components. In this embodiment, the removal of the third harmonic component is considered.
In deriving the calculation formula, the intensity level of the fifth-order diffracted light was ignored as the diffraction intensity, and up to ± 3rd-order diffracted light was used as the calculation target. Therefore, as a combination of the diffracted light of the third harmonic component, the generation of the third harmonic component included in the displacement waveform is mainly influenced by the 0th order, ± 1st order, A combination of ± 2nd order and ± 3rd order diffracted light components is formed only at (0, +3), (0, −3), (+1, −2), and (−1, +2). In this embodiment, the aperture width of each light receiving element of the index scale is set to 1/2 of the index scale pitch P, and the 180 ° inverted signal is differentially amplified by the electric signal processing circuit configuration. Therefore, the harmonic component of the even-numbered order is canceled and does not need to be considered.

図6に本実施例で関与する0次および±1次から±3次回折波の発生の様子を示した。図5において各次数の回折強度を示したが図中ア、ウの開口率AR=33.33%、66.67%に対応しこの部分では3次回折光が次数欠如、図中イの開口率AR=50%では2次回折光が次数欠如する。図6(B)、(C)がそれぞれに対応している。   FIG. 6 shows the generation of the 0th and ± 1st to ± 3rd order diffracted waves involved in this example. In FIG. 5, the diffraction intensities of the respective orders are shown. A and c in the figure correspond to aperture ratios AR = 33.33% and 66.67%. In this part, the third-order diffracted light lacks the order. When AR = 50%, the order of the second-order diffracted light is lacking. 6B and 6C correspond to each.

Figure 2011075581
Figure 2011075581

以上に示したように、本発明では、メインスケール上の矩形波振幅格子による回折像のプロファイルを求めるに当たり観測点がファーフィールドでなくても平面波展開を基本として回折計算を実施する。更に、計算を簡便にし高速化するために(7)式における係数Tnに相当する回折光束振幅は以下の式で表現する。矩形波振幅格子の各次数の回折強度を表す式(9)、(10)を用いた。mは回折次数を表す。   As described above, in the present invention, when obtaining the profile of the diffraction image by the rectangular wave amplitude grating on the main scale, diffraction calculation is performed based on plane wave expansion even if the observation point is not the far field. Further, in order to simplify the calculation and increase the speed, the diffraction beam amplitude corresponding to the coefficient Tn in the equation (7) is expressed by the following equation. Expressions (9) and (10) representing the diffraction intensity of each order of the rectangular wave amplitude grating were used. m represents the diffraction order.

Figure 2011075581
Figure 2011075581

Figure 2011075581
Figure 2011075581

を省略し、振幅はそれぞれ以下のようになる。 I 0 is omitted, and the amplitudes are as follows.

Figure 2011075581
Figure 2011075581

Figure 2011075581
Figure 2011075581

回折格子の光学有効開口率ARと回折振幅値の関係を図5に示す。
次に、これらの振幅値を用いて各回折波を平面波として複素数表示で表現する。
ただし、以下の数式表記では
メインスケールの開口幅:d
メインスケールピッチ:P
光源波長:λ
ギャップ方向:z
スケール変位方向:xとしている。
なお、ここでは、y軸方向については無限遠に広がる格子とし、その影響を無視した。
0次および±1次〜3次までの合計7波の回折光の平面波を
それぞれ、U0、U1p、U1m、U2p、U2m、U3p、U3mとした。
各回折光は次の(13)〜(19)式で表される。
FIG. 5 shows the relationship between the optical effective aperture ratio AR of the diffraction grating and the diffraction amplitude value.
Next, using these amplitude values, each diffracted wave is expressed as a plane wave in a complex number display.
However, in the following mathematical notation, the opening width of the main scale: d
Main scale pitch: P
Light source wavelength: λ
Gap direction: z
Scale displacement direction: x.
Here, the y-axis direction is a lattice extending infinitely, and its influence is ignored.
The plane waves of the diffracted light of a total of 7 waves from the 0th order and the ± 1st order to the 3rd order were U0, U1p, U1m, U2p, U2m, U3p, and U3m, respectively.
Each diffracted light is expressed by the following equations (13) to (19).

0次回折光 U0 0th order diffracted light U0

Figure 2011075581
Figure 2011075581

+1次回折光振幅 U1p + 1st order diffracted light amplitude U1p

Figure 2011075581
Figure 2011075581

−1次回折光振幅 U1m −1st order diffracted light amplitude U1m

Figure 2011075581
Figure 2011075581

+2次回折光振幅 U2p + 2nd order diffracted light amplitude U2p

Figure 2011075581
Figure 2011075581

−2次回折光振幅 U2m -2nd order diffracted light amplitude U2m

Figure 2011075581
Figure 2011075581

+3次回折光振幅 U3p + 3rd order diffracted light amplitude U3p

Figure 2011075581
Figure 2011075581

−3次回折光振幅 U3m -3rd order diffracted light amplitude U3m

Figure 2011075581
Figure 2011075581

となる。 It becomes.

次に、0次および±1次〜3次までの7波の回折光の合成振幅、すなわちその和をとり、その複素共役数をかけ算して合成強度を求めると、
それぞれの複素共役をUU0、UU1p、UU1m、UU2p、UU2m、UU3p、UU3mとして、合成波f1およびf2は以下のようになる。
Next, the combined amplitude of the diffracted light of 7 waves from the 0th order and the ± 1st order to the 3rd order, that is, the sum thereof, is multiplied by the complex conjugate number to obtain the combined intensity,
The respective composite conjugates are UU0, UU1p, UU1m, UU2p, UU2m, UU3p, UU3m, and the synthesized waves f1 and f2 are as follows.

Figure 2011075581
Figure 2011075581

Figure 2011075581
Figure 2011075581

メインスケール上の回折格子からの干渉像は上記の複素振幅の和f1、その複素共役f2の積で求められる。すなわち合成強度I(x、z、AR、λ)はAR=d/pに置き換えて、   The interference image from the diffraction grating on the main scale is obtained by the product of the complex amplitude sum f1 and its complex conjugate f2. That is, the combined intensity I (x, z, AR, λ) is replaced with AR = d / p,

Figure 2011075581
Figure 2011075581

Figure 2011075581
Figure 2011075581

Figure 2011075581
Figure 2011075581

上記の(23)式が目的とした光強度分布を表現している。
しかし、0次および±1次〜3次までの7波の回折光全部の合成の為、2次高調波や4次高調波、5次高調波、6次高調波を含んでいるから原理的にキャンセルされる偶数次数の高調波と、ここでは影響の少ない5次高調波を取り除いて上記の強度分布を導き式の簡素化を実施する。
The above expression (23) expresses the intended light intensity distribution.
However, since all the diffracted light of 7 waves from 0th order and ± 1st order to 3rd order is synthesized, it contains 2nd order harmonics, 4th order harmonics, 5th order harmonics and 6th order harmonics. The above-described intensity distribution is derived by simplifying the equation by removing even-order harmonics that are canceled out in this case and fifth-order harmonics that are less affected here.

合成強度式(23)から偶数周波数成分と5次高調波成分を除き、基本波と3次高調波成分のみを扱うことにすれば上記の計算式は下記f3が強度合成式になる。すなわち
(0、+1)、(0、−1)、の基本波および3次高調波成分波(0、+3)、(0、−3)、(+1、−2)、(−1、+2)の平面波の振幅合成で済むので下記のf3の式に簡素化される。
If only the fundamental wave and the third harmonic component are handled by excluding the even frequency component and the fifth harmonic component from the combined intensity equation (23), the following f3 becomes the intensity combined equation. That is, the fundamental wave and the third harmonic component wave (0, +3), (0, -3), (+1, -2), (-1, +2) of (0, +1), (0, -1) Therefore, it is simplified to the following formula f3.

Figure 2011075581
Figure 2011075581

Figure 2011075581
Figure 2011075581

のように簡略化される。
図7(A)は(23)式で表した光強度分布
図7(B)は(25)式で表した光強度分布
で、このデータはメインスケールピッチP=128μm、光源波長λ=0.65μmで計算されたものである。
光強度分布をギャップzと変位方向xで表している。明るいところが強度の強いところを示している。いずれもグラフの横軸がギャップ位置z、縦軸がx軸方向を示す。
(A)では歪みの全成分が式に取り込まれているため偶数次の空間周波数も含まれており特に2次成分が強く存在していることがわかる。一方、(B)は基本波と3次成分のみの表示となっていて、3次の高調波成分の振幅が大きい部分と少ない部分がよくわかる。
It is simplified as follows.
7A is a light intensity distribution represented by the equation (23). FIG. 7B is a light intensity distribution represented by the equation (25). This data includes the main scale pitch P = 128 μm, the light source wavelength λ = 0. It is calculated at 65 μm.
The light intensity distribution is represented by a gap z and a displacement direction x. The bright area indicates the strong area. In either case, the horizontal axis of the graph indicates the gap position z, and the vertical axis indicates the x-axis direction.
In (A), since all distortion components are taken into the equation, even-order spatial frequencies are included, and it can be seen that the secondary components are particularly strong. On the other hand, (B) shows only the fundamental wave and the third-order component, and the portion where the amplitude of the third-order harmonic component is large and the portion where the amplitude is small are well understood.

以上、回折格子の開口比(AR=d/p:Aperture Ratio)および、メインスケールとインデックススケールのギャップ寸法(z:GAP)の2つのパラメータについて特に変位方向xでの光強度分布を導きだした。
次に、具体的にいくつかの設計、構成事例をもってこの方法による高次高調波歪み除去、低減の効果を説明する。
As described above, the light intensity distribution in the displacement direction x is particularly derived with respect to the two parameters of the aperture ratio of the diffraction grating (AR = d / p: Aperture Ratio) and the gap dimension (z: GAP) between the main scale and the index scale. .
Next, the effects of high-order harmonic distortion removal and reduction by this method will be described specifically with some designs and configuration examples.

さて、以下にこの数式(25)を用いて具体的に3次高調波歪みについて開口率ARとギャップzの関係について評価を実施する。
光強度分布I(x、z、AR、λ)の関係式(25)から、その分布において歪み率を評価し歪みの最小となる条件を導き出す方法を示した。
Now, the relationship between the aperture ratio AR and the gap z is specifically evaluated for the third-order harmonic distortion using Equation (25) below.
From the relational expression (25) of the light intensity distribution I (x, z, AR, λ), a method of evaluating the distortion rate in the distribution and deriving the condition that minimizes the distortion was shown.

適用例1)
図8においてメインスケール110の格子ピッチ128μmの場合において、設計ギャップを1500μmに設定中心位置を設けるようにした構成をとる場合のメインスケールの最適開口率を求めてみる。光源波長λは0.65μmである。
Application example 1)
In FIG. 8, when the grid pitch of the main scale 110 is 128 μm, the optimum aperture ratio of the main scale in the case where the design center is set to 1500 μm and the center position is set will be obtained. The light source wavelength λ is 0.65 μm.

図8の上段の図は本発明で導いた光学強度分布式(25)を用いてギャップ1500μmとしたときの開口率ARと3次成分の歪み率の関係を示している。同図において横軸は光学有効開口率ARで、縦軸は左側が基本波振幅、右側が(歪み振幅/基本波振幅)を表している。この結果はあくまでも光学強度分布を対象に評価し、歪みを算出しているので実際のエンコーダの変位波形に重畳する歪みを表したものではない。しかし、実際のエンコーダ波形に換算すると、インデックススケールである程度のフィルタリング作用が働くため、その値は≒1/3〜1/5程度に減少する。歪み最小となる光学有効開口率を決定する上では問題はない。この上段のグラフから歪み最小となる光学有効開口率ARは52%と決定された。図8中段のグラフは上記で決定された開口率52%とした場合のギャップ特性図である。図8上段のグラフに対して横軸のみギャップ位置(z)に変えたものである。ギャップ1500μmで3次成分が減衰し極小値をとっていることが示されている。また図8下段の図は横軸をギャップ縦軸に変位方向xとした場合の強度分布密度図である。白いところが光強度の強いところで歪み極小となるギャップ位置には3次成分の空間周波数は見いだせない。   The upper diagram in FIG. 8 shows the relationship between the aperture ratio AR and the distortion factor of the third-order component when the gap is 1500 μm using the optical intensity distribution equation (25) derived in the present invention. In the figure, the horizontal axis represents the optical effective aperture ratio AR, and the vertical axis represents the fundamental wave amplitude on the left side and (distortion amplitude / fundamental wave amplitude) on the right side. This result does not represent the distortion superimposed on the actual displacement waveform of the encoder because the distortion is calculated by evaluating the optical intensity distribution. However, when converted to an actual encoder waveform, a certain degree of filtering action is performed on the index scale, so the value decreases to approximately 1/3 to 1/5. There is no problem in determining the optical effective aperture ratio that minimizes the distortion. From the upper graph, the optical effective aperture ratio AR that minimizes the distortion was determined to be 52%. The graph in the middle of FIG. 8 is a gap characteristic diagram when the aperture ratio determined above is 52%. In the upper graph of FIG. 8, only the horizontal axis is changed to the gap position (z). It is shown that the third-order component attenuates and takes a minimum value at a gap of 1500 μm. 8 is an intensity distribution density diagram in which the horizontal axis is the gap vertical axis and the displacement direction is x. The spatial frequency of the third-order component cannot be found at the gap position where the white portion is where the light intensity is strong and the distortion is minimal.

適用例2)
次に、設計ギャップを1000μmに設定中心位置を設けるようにした構成をとる場合のメインスケールの最適開口率を求めてみる。メインスケール110の格子ピッチは先の例と同じにした。光源波長λは0.65μmである。
図9の上段の図は、前適用例と同様に、ギャップ1000μmとしたときの開口率ARと3次成分の歪み率の関係を示している。
Application example 2)
Next, the optimum aperture ratio of the main scale in the case where the design center is set to 1000 μm and the setting center position is provided will be obtained. The lattice pitch of the main scale 110 was the same as the previous example. The light source wavelength λ is 0.65 μm.
The upper diagram in FIG. 9 shows the relationship between the aperture ratio AR and the distortion factor of the third-order component when the gap is 1000 μm, as in the previous application example.

この適用事例では、光学有効開口率としてAR=44%とAR=78%の2箇所で極小値が存在している。2点を比べると基本波振幅の大きさを第二の選択基準としてみると、開口比78%のギャップポイントの方が基本波振幅が大きい。この場合には、この78%の開口率で設定することが好ましい。
この上段のグラフから歪み最小となる光学有効開口率ARは78%と決定された。図9中段のグラフは前出図8の中段と同様で、この78%開口率でのギャップ特性を示している。
In this application example, there are local minimum values as optical effective aperture ratios at two locations of AR = 44% and AR = 78%. Comparing the two points, when the magnitude of the fundamental wave amplitude is considered as the second selection criterion, the fundamental wave amplitude is larger at the gap point with the aperture ratio of 78%. In this case, it is preferable to set with an aperture ratio of 78%.
From this upper graph, the optical effective aperture ratio AR that minimizes the distortion was determined to be 78%. The middle graph in FIG. 9 is the same as the middle graph in FIG. 8 and shows the gap characteristics at this 78% aperture ratio.

ギャップ1000μmで3次成分が減衰し極小値をとっていることが示されている。また図9下段の図は横軸をギャップ縦軸に変位方向xとした場合の強度分布密度図である。白いところが光強度の強いところで歪み極小となるギャップ位置であるギャップ1000μmの位置には3次成分の空間周波数は見いだせない。また、より近接ギャップによった場合にこの密度図から明瞭に台形波となること、反対にギャップが離れる方向では三角波になることがこの図から容易に推測される。   It is shown that the third-order component attenuates and takes a minimum value at a gap of 1000 μm. The lower diagram of FIG. 9 is an intensity distribution density diagram in which the horizontal axis is the gap vertical axis and the displacement direction is x. The spatial frequency of the third-order component cannot be found at the position of the gap of 1000 μm, which is the gap position where the distortion is minimal where the light intensity is high. In addition, it is easily estimated from this figure that a trapezoidal wave is clearly obtained from this density diagram when a closer gap is used, and a triangular wave is formed in the direction in which the gap is separated.

適用例3)
次に、メインスケール110のピッチPを40μmとした場合について説明する。
この程度の微細ピッチになると多くの場合、干渉縞のコントラストの高いギャップ位置、いわゆるフーリエイメージが形成されるギャップポイントに設定される。
Application example 3)
Next, a case where the pitch P of the main scale 110 is 40 μm will be described.
In many cases, such a fine pitch is set to a gap position where interference fringes have a high contrast, that is, a gap point where a so-called Fourier image is formed.

この実施例での光学系ではスケールを平行光束で照明しているので、平行光束照明系でのフーリエイメージの形成される位置は(26)式から求まる。   In the optical system in this embodiment, the scale is illuminated with a parallel light beam, so the position where the Fourier image is formed in the parallel light beam illumination system can be obtained from equation (26).

Figure 2011075581
Figure 2011075581

はフーリエイメージの形成位置を示すとともに期的に変動する基本波のコントラストの変動周期でもある。nは自然数でギャップに対して離散的に形成されるフーリエイメージの番号に相当する。 z n indicates the formation position of the Fourier image and is also the period of change in contrast of the fundamental wave that changes periodically. n is a natural number and corresponds to the number of the Fourier image formed discretely with respect to the gap.

ここでは、1番目のフーリエイメージの位置にギャップ設定された場合を取り扱う。
(ここでこの第一番目のフーリエイメージ特性を以後 1st.Peak特性と呼ぶ)
P=40μm、λ=0.65μm、n=1としてギャップ位置z≒2461μmとなる。
Here, the case where a gap is set at the position of the first Fourier image is handled.
(Hereinafter, this first Fourier image characteristic is referred to as a 1st.Peak characteristic.)
When P = 40 μm, λ = 0.65 μm, and n = 1, the gap position z 1 ≈2461 μm.

図10は本発明での波形歪み対策行為を行わなかった場合について説明するための図である。一般的には矩形波振幅格子での開口率は50%で設定される。この時の3次高調波歪みの発生具合を本発明の評価式(25)で評価した結果が図10に示されている。   FIG. 10 is a diagram for explaining a case where the waveform distortion countermeasure action in the present invention is not performed. In general, the aperture ratio in a rectangular wave amplitude grating is set to 50%. FIG. 10 shows the result of evaluating the degree of occurrence of the third harmonic distortion at this time by the evaluation formula (25) of the present invention.

図10の上段の図は、縦軸に基本波振幅、歪み率、横軸をギャップとしたギャップ特性図である。
この特性図において、フーリエイメージが形成されるギャップ位置z≒2461μmでは、周期的に変動する歪み率特性の部分的なピーク位置(歪み大となる位置)に重なり波形歪みについては条件の悪いギャップ位置である。
The upper diagram of FIG. 10 is a gap characteristic diagram in which the vertical axis represents the fundamental wave amplitude, the distortion rate, and the horizontal axis represents the gap.
In this characteristic diagram, at a gap position z 1 ≈2461 μm at which a Fourier image is formed, a gap with poor conditions is observed with respect to waveform distortion overlapping with a partial peak position (position where distortion becomes large) of a distortion rate characteristic that varies periodically. Position.

また、基本波の振幅値の最大条件を優先して開口比を選んだ場合を考えると、図10の下段のグラフから開口率としては64.5%が選ばれるが、このギャップポイントにおいても3次高調波歪みの値は大きい。   Further, considering the case where the aperture ratio is selected giving priority to the maximum condition of the amplitude value of the fundamental wave, 64.5% is selected as the aperture ratio from the lower graph of FIG. The value of the second harmonic distortion is large.

このような場合に本発明によるメインスケール上の格子の開口率設定を実施することで高調波歪みの極小点を所望のギャップ位置(=ここではフーリエイメージが形成されるギャップ位置)に設定可能となる。   In such a case, by setting the aperture ratio of the grating on the main scale according to the present invention, the minimum point of the harmonic distortion can be set to a desired gap position (= the gap position where the Fourier image is formed here). Become.

図11でこのことを具体的に示す。本発明による評価式(25)によれば、光学有効開口率としてAR=40.55%およびAR=72.2%の2箇所で極小値が存在している。2点を比べるにあたって先の例と同様に基本波振幅の大きさを第二の選択基準として考えると、開口比72.2%の開口率の方が基本波振幅は大きく、この値でメインスケールの開口率を設定することが好ましい。   This is specifically shown in FIG. According to the evaluation formula (25) according to the present invention, there are local minimum values as optical effective aperture ratios at two locations of AR = 40.55% and AR = 72.2%. Considering the magnitude of the fundamental wave amplitude as the second selection criterion as in the previous example when comparing the two points, the fundamental wave amplitude is larger at the aperture ratio of the aperture ratio of 72.2%. It is preferable to set the aperture ratio.

この例ではピッチ寸法40μmのメインスケールを用いた場合について説明したが、フーリエイメージが形成されるギャップポイントではピッチの値に関係なく上記と同様の結果が得られる。   In this example, the case where a main scale having a pitch dimension of 40 μm is used has been described. However, the same result as described above can be obtained at a gap point where a Fourier image is formed regardless of the pitch value.

図12は、(25)式に(26)式の関係を適用し、ギャップ寸法をフーリエイメージ発生の基本周期zで規格化し、その関係を示したギャップ特性図である。 FIG. 12 is a gap characteristic diagram in which the relationship of the equation (26) is applied to the equation (25), the gap size is normalized by the fundamental period z 1 of Fourier image generation, and the relationship is shown.

図12(A)、(B)、(C)はそれぞれスケールピッチ20μm、200μm、2000μmの場合のギャップ特性を示している。先に説明したようにフーリエイメージで形成位置すなわち、横軸の1の値の部分において歪み最小となり、ギャップについてフーリエイメージの生成周期zで規格化してみた場合には、全く同じ特性を示している。 12A, 12B, and 12C show the gap characteristics when the scale pitch is 20 μm, 200 μm, and 2000 μm, respectively. As described above, the distortion is minimized at the formation position in the Fourier image, that is, the value of 1 on the horizontal axis, and when the gap is normalized by the Fourier image generation cycle z 1 , the same characteristics are shown. Yes.

よって、以下の本発明により以下のことがわかった。
メインスケールの格子ピッチをPとし、光源波長λとしたとき、この光源を用いてコリメータレンズで平行光束照明した場合、フーリエイメージが形成されるギャップは(26)で示され、そのギャップ設定で用いる場合には40.55%および72.2%の開口率とすることで3次の高調波歪みは極小となる。
以上、本発明の具体的な適用例を3通り示したが重要な点は、すべての適用例において、上述の関係は(25)式に含まれる各回折光の開口率と回折効率の関係式として(11)(12)式を適用した場合に成り立っている。すなわち、理想的な矩形波振幅格子を前提としている。
Therefore, the following things were understood by the following present invention.
When the grating pitch of the main scale is P and the light source wavelength is λ, when the collimator lens is used to illuminate the parallel light flux with this light source, the gap in which the Fourier image is formed is indicated by (26) and is used for setting the gap. In this case, the third-order harmonic distortion is minimized by setting the aperture ratios to 40.55% and 72.2%.
As described above, three specific application examples of the present invention have been shown. However, the important point is that in all the application examples, the above relationship is the relational expression between the aperture ratio and diffraction efficiency of each diffracted light included in the expression (25) This holds true when the equations (11) and (12) are applied. That is, an ideal rectangular wave amplitude grating is assumed.

しかし、実際に用いられるメインスケールの回折効率が異なれば上記の開口率はこの値に対してズレが生じる。矩形波振幅格子と用いられる具体的なスケール例としては、写真製版フィルムスケール、金属製エッチングスケール、ガラス表面に金属蒸着膜を施してエッチングで格子を設けたもの等さまざまである。また、格子の製造精度、格子エッジの直線性等により開口率と回折効率の関係は必ずしも(11)、(12)式と合致しない。   However, if the diffraction efficiency of the main scale that is actually used is different, the above aperture ratio will deviate from this value. Specific examples of the scale used with the rectangular wave amplitude grating include various types such as a photoengraving film scale, a metal etching scale, and a metal vapor deposition film on a glass surface and a grating provided by etching. Further, the relationship between the aperture ratio and the diffraction efficiency does not necessarily match the expressions (11) and (12) due to the manufacturing accuracy of the grating, the linearity of the grating edge, and the like.

このように、現実に得られる矩形波振幅格子の回折効率はスケールの素材、製造方法、製造精度等に依存していると考えられるので本発明を実際に工業的に適用していくに当たっては、用いるスケールの回折効率を実測し、その値を(11)、(12)式に対して補正することで正確に高調波の歪み成分を除去、低減可能な開口率が正確に求まり、本発明で示した方法の実用上の価値が高まる。   Thus, since the diffraction efficiency of the rectangular wave amplitude grating actually obtained is considered to depend on the material of the scale, the manufacturing method, the manufacturing accuracy, etc., in actually applying the present invention industrially, By actually measuring the diffraction efficiency of the scale to be used and correcting the value with respect to the equations (11) and (12), the harmonic distortion component can be accurately removed and the aperture ratio that can be reduced can be obtained accurately. The practical value of the method shown increases.

メインスケールのピッチ寸法が比較的粗い場合には、高次の回折波が有効光路中に含まれるので波形歪みは顕著である。例えば、100μm以上の場合を考えてみる。   When the pitch dimension of the main scale is relatively coarse, waveform distortion is significant because high-order diffracted waves are included in the effective optical path. For example, consider the case of 100 μm or more.

フーリエイメージの生成位置は光源波長λを0.65μm程度とすれば15mm以上となり、現実的にはこのようなギャップ寸法で設定されることはなく、多くの場合にはスペース効率的な観点で概ね1mm以下で設定されることが多い。この場合にこのような粗いピッチのメインスケールを用いて電気的な信号分割を実施するときに問題となるのが変位信号に重畳する波形歪みである。   The generation position of the Fourier image is 15 mm or more when the light source wavelength λ is set to about 0.65 μm, and is not actually set with such a gap size. It is often set at 1 mm or less. In this case, the waveform distortion superimposed on the displacement signal becomes a problem when electrical signal division is performed using such a coarse pitch main scale.

すでに、適用例1,2においてピッチ128μmとした場合の歪み回避について説明したが、この例で示したように適宜、所望の設定ギャップで歪みが最小となる開口率設定をすることで祖ピッチでの高調波の歪みは回避可能となる。   Already, the distortion avoidance when the pitch is set to 128 μm in the application examples 1 and 2 has been described. However, as shown in this example, by appropriately setting the aperture ratio that minimizes the distortion with a desired setting gap, The harmonic distortion of can be avoided.

実施例2)
次に、メインスケールを発散光束で照射した場合について実施例をあげて説明する。
実施例1)では平行光束でメインスケールを照射した場合の回折像について(25)式を導いた。この例では、発散光束でメインスケールを照射した場合を考える。
Example 2)
Next, a case where the main scale is irradiated with a divergent light beam will be described with an example.
In Example 1), equation (25) was derived for the diffraction image when the main scale was irradiated with a parallel light beam. In this example, consider the case where the main scale is irradiated with a divergent light beam.

図13は、反射式のエンコーダの構成図である。光源112からの発散光束でそのままメインスケール110は照射され、メインスケール110からの反射回折光によりインデックススケール120に干渉縞が形成される。インデックススケール120とメインスケール110はギャップZで配置されている。この構成においてはメインスケールのピッチをPとするとインデックススケール面上にはメインスケールピッチの2倍の周期の干渉縞が形成される。以降、実施例1の構成と共通するので説明を省略する。   FIG. 13 is a configuration diagram of a reflective encoder. The main scale 110 is irradiated with the divergent light beam from the light source 112 as it is, and interference fringes are formed on the index scale 120 by the reflected diffracted light from the main scale 110. The index scale 120 and the main scale 110 are arranged with a gap Z. In this configuration, when the main scale pitch is P, interference fringes having a period twice the main scale pitch are formed on the index scale surface. Hereinafter, since it is the same as that of the first embodiment, the description thereof is omitted.

このような構成のエンコーダにおいても本発明が適用可能である。まず、図13の構成の等価光学系を図14に示す。図14において中央のメインスケールの移動方向軸をX0、インデックススケールをX2、光源をX1軸上に配置したもので、座標L0に配置されている。前図13で示したメインスケールとインデックススケールのギャップZに相当するのはこの図14においては、X0−X2 および X0−X1間の距離に相当する。光源座標L0の位置から発散光束がX0軸上に配置されたメインスケールに照射され、その光線が回折格子面で回折した光線図が描かれている。L0からメインスケール上の原点(0,0)に届いた光は回折角θ1で回折してインデックススケールに届いている。この回折した光束の方向を光線の進行方向とは逆の方向に延長し、原点を(0.0)にもつ半径Zの円と交わる点をL+1とすると回折光線はあたかもこのL+1に光源を配置した光波と同様の波面を形成する。そこで各次数の回折光束がこのような仮想光源点L+1、L−1・・・のように回折次数に応じてこの半径Z上の円周上に配置し、各仮想光源点からの発散光束の重ね合わせとして干渉像を計算することができる。各仮想点での発光強度が先の実施例1)で示した回折効率に従った強度で発光しているとして扱うことで実施例同様にメインスケールでの回折光束の重ね合わせによる干渉縞の光強度分布が計算できる。ただし、実施例1では平面波の重ね合わせであったが、この場合には発散光束の重ね合わせになるが、先の計算同様に扱う波面の数はたかだか取り扱う回折光束の数だけを考えればよいので、実施例1と同様に極めて簡便にインデックススケール面上の干渉縞強度分布が求まる。   The present invention can also be applied to an encoder having such a configuration. First, an equivalent optical system having the configuration shown in FIG. 13 is shown in FIG. In FIG. 14, the movement direction axis of the central main scale is X0, the index scale is X2, and the light source is arranged on the X1 axis, and is arranged at the coordinate L0. The gap corresponding to the main scale and index scale gap Z shown in FIG. 13 corresponds to the distance between X0-X2 and X0-X1 in FIG. A light beam diagram is drawn in which a divergent light beam is irradiated from the position of the light source coordinate L0 onto the main scale arranged on the X0 axis, and the light beam is diffracted on the diffraction grating surface. The light reaching the origin (0, 0) on the main scale from L0 is diffracted at the diffraction angle θ1 and reaches the index scale. If the direction of the diffracted light beam is extended in the direction opposite to the traveling direction of the light beam, and the point where the origin intersects with a circle with a radius Z having (0.0) is L + 1, the diffracted light beam has a light source arranged at L + 1. A wavefront similar to the light wave formed is formed. Therefore, the diffracted light beams of the respective orders are arranged on the circumference on the radius Z according to the diffraction orders as in such virtual light source points L + 1, L-1,. An interference image can be calculated as a superposition. By treating that the light emission intensity at each virtual point emits light with the intensity according to the diffraction efficiency shown in the first embodiment 1), the interference fringe light by superimposing the diffracted light beams on the main scale as in the embodiment. Intensity distribution can be calculated. However, in Example 1, the superposition of plane waves is used. In this case, the superposition of divergent light beams is performed, but the number of wave fronts to be handled can be considered only the number of diffracted light beams to be handled as in the previous calculation. As in the first embodiment, the interference fringe intensity distribution on the index scale surface can be obtained very easily.

以下、その途中の導出課程を省略し、その結果を示す。
各回折次数の光波を表す式は次の式となる。それぞれの回折波の強度は前出(11)、(12)を用い、各回折波を球面波として複素数表示で表現する。
ただし、以下の数式表記では光波が観測点に到達するまでに減衰する距離に反比例(1/z)する項は省略している。以下、実施例1と同様に
メインスケールの開口幅:d
メインスケールピッチ:P
光源波長:λ
ギャップ方向:z
スケール変位方向:x としている。
なお、ここでは、y軸方向については無限遠に広がる格子とし、その影響を無視した。
0次および±1次〜3次までの合計7波の回折光の球面波をそれぞれ、U0、U1p、U1m、U2p、U2m、U3p、U3mとした。
各回折光は次の(27)〜(33)式で表される。
In the following, the derivation process in the middle is omitted and the results are shown.
The expression representing the light wave of each diffraction order is as follows. The intensity of each diffracted wave is expressed by the above (11) and (12), and each diffracted wave is expressed as a spherical wave in a complex number display.
However, in the following mathematical expression, a term that is inversely proportional (1 / z) to the distance by which the light wave attenuates before reaching the observation point is omitted. Hereinafter, as in Example 1, the opening width of the main scale: d
Main scale pitch: P
Light source wavelength: λ
Gap direction: z
Scale displacement direction: x.
Here, the y-axis direction is a lattice extending infinitely, and its influence is ignored.
The spherical waves of the diffracted light of a total of 7 waves from the 0th order and the ± 1st order to the 3rd order were U0, U1p, U1m, U2p, U2m, U3p, and U3m, respectively.
Each diffracted light is expressed by the following equations (27) to (33).

0次回折光 U0 0th order diffracted light U0

Figure 2011075581
Figure 2011075581

+1次回折光振幅 U1p + 1st order diffracted light amplitude U1p

Figure 2011075581
Figure 2011075581

−1次回折光振幅 U1m −1st order diffracted light amplitude U1m

Figure 2011075581
Figure 2011075581

+2次回折光振幅 U2p + 2nd order diffracted light amplitude U2p

Figure 2011075581
Figure 2011075581

−2次回折光振幅 U2m -2nd order diffracted light amplitude U2m

Figure 2011075581
Figure 2011075581

+3次回折光振幅 U3p + 3rd order diffracted light amplitude U3p

Figure 2011075581
Figure 2011075581

−3次回折光振幅 U3m -3rd order diffracted light amplitude U3m

Figure 2011075581
Figure 2011075581

次に、0次および±1次〜3次までの7波の回折光の合成振幅、すなわちその和をとり、その複素共役数をかけ算して合成強度を求めると、
それぞれの複素共役をUU0、UU1p、UU1m、UU2p、UU2m、UU3p、UU3mとして、合成波f1およびf2は以下のようになる。
Next, the combined amplitude of the diffracted light of 7 waves from the 0th order and the ± 1st order to the 3rd order, that is, the sum thereof, is multiplied by the complex conjugate number to obtain the combined intensity,
The respective composite conjugates are UU0, UU1p, UU1m, UU2p, UU2m, UU3p, UU3m, and the synthesized waves f1 and f2 are as follows.

Figure 2011075581
Figure 2011075581

Figure 2011075581
Figure 2011075581

メインスケール上の回折格子からの干渉像は上記の複素振幅の和f1、その複素共役f2の積で求められる。すなわち合成強度I(x、z、AR、λ)はAR=d/pに置き換えて、   The interference image from the diffraction grating on the main scale is obtained by the product of the complex amplitude sum f1 and its complex conjugate f2. That is, the combined intensity I (x, z, AR, λ) is replaced with AR = d / p,

Figure 2011075581
Figure 2011075581

上記の結果は次の(37)式となる。   The above result is the following equation (37).

Figure 2011075581
Figure 2011075581

Figure 2011075581
Figure 2011075581

先の実施例1と同様に
3次高調波成分の歪みに寄与する回折光波の組み合わせのみ計算すると
As in the first embodiment, only the combination of diffracted light waves that contribute to distortion of the third harmonic component is calculated.

Figure 2011075581
Figure 2011075581

となり、
最終的に、発散光束で照明されたメインスケールでの回折像の強度分布(3次高調波成分に影響する成分のみの強度分布)は、以下の(38)式となる。
And
Finally, the intensity distribution of the diffraction image on the main scale illuminated with the divergent light beam (the intensity distribution of only the component that affects the third-order harmonic component) is expressed by the following equation (38).

Figure 2011075581
Figure 2011075581

この(38)式を用いて反射式エンコーダでの3次高調波歪み除去について適用例で具体的にその効果を示す。 The effect of the third-order harmonic distortion removal in the reflective encoder will be specifically described with an application example using the equation (38).

適用例4)
実施例2の光学配置の反射式エンコーダにおいて
発散光束で照明されたメインスケール110のピッチPを40μmとした場合について説明する。先の実施例と同様に、この程度の微細ピッチになると多くの場合、干渉縞のコントラストの高いギャップ位置、いわゆるフーリエイメージが形成されるギャップポイントに設定される。
この実施例2での光学系では実施例1と異なり、メインスケールを発散光束で照明しているので、発散光束照明系でのフーリエイメージの形成される位置は、次の(38)式から求まる。
Application example 4)
The case where the pitch P of the main scale 110 illuminated with the divergent light beam in the reflective encoder having the optical arrangement of the second embodiment is set to 40 μm will be described. In the same way as in the previous embodiment, when this fine pitch is obtained, in many cases, a gap position having a high contrast of interference fringes, that is, a gap point where a so-called Fourier image is formed is set.
In the optical system according to the second embodiment, unlike the first embodiment, the main scale is illuminated with a divergent light beam. Therefore, the position where the Fourier image is formed in the divergent light beam illumination system is obtained from the following equation (38). .

Figure 2011075581
Figure 2011075581

はフーリエイメージの形成位置を示すとともに期的に変動する基本波のコントラストの変動周期でもある。nは自然数でギャップに対して離散的に形成されるフーリエイメージの番号に相当する。 z n indicates the formation position of the Fourier image and is also the period of change in contrast of the fundamental wave that changes periodically. n is a natural number and corresponds to the number of the Fourier image formed discretely with respect to the gap.

平行光束照明系の実施例1に対してフーリエイメージの生成周期が同じメインスケールピッチPで比較すると2倍の周期でコントラストの変動が発生する。このタイプの反射式ではギャップ敏感度が先の実施例1に比べて鈍感でギャップアライメント許容誤差が広くとれる。   When compared with the first embodiment of the parallel beam illumination system at the main scale pitch P in which the generation cycle of the Fourier image is the same, the fluctuation of the contrast occurs in the cycle twice. In this type of reflection type, the gap sensitivity is insensitive compared to the first embodiment, and the gap alignment tolerance is wide.

ここでも、平行光束照明の場居と同様に、1番目のフーリエイメージの位置にギャップ設定された場合を取り扱う。
(ここでこの第一番目のフーリエイメージ特性を以後 1st.Peak特性と呼ぶ)
P=40μm、λ=0.65μm、n=1としてギャップ位置z≒4923μmとなる。
Here again, the case where a gap is set at the position of the first Fourier image is handled as in the case of the parallel beam illumination.
(Hereinafter, this first Fourier image characteristic is referred to as a 1st.Peak characteristic.)
When P = 40 μm, λ = 0.65 μm, and n = 1, the gap position z 1 ≈4923 μm.

図15にこの適用例での開口率特性図とギャップ特性を示す。
本発明による発散光束での歪み評価式(38)によれば、光学有効開口率としてAR=40.55%およびAR=72.2%の2箇所で極小値が存在している。この値は先の平行光束照明のケースと同じ値となっている。開口率72.2%の方が基本波の振幅が大きく同様にこの値を選択するのがベストと考えられる。
FIG. 15 shows an aperture ratio characteristic diagram and a gap characteristic in this application example.
According to the distortion evaluation formula (38) for the divergent light beam according to the present invention, there are minimum values as optical effective aperture ratios at two locations of AR = 40.55% and AR = 72.2%. This value is the same value as in the case of the parallel beam illumination described above. It is considered best to select this value with an aperture ratio of 72.2% as the amplitude of the fundamental wave is large.

図15のギャップ特性図でも3次の高調波歪みが設定ギャップ位置4923μmにおいて良好に除去、低減されている。   In the gap characteristic diagram of FIG. 15, the third-order harmonic distortion is well removed and reduced at the set gap position 4923 μm.

この発散光束照明の場合にも、先の実施例1同様にフーリエイメージが形成されるギャップポイントではピッチの値に関係なく上記と同様の結果が得られる。   Also in the case of this divergent light illumination, the same result as above can be obtained regardless of the pitch value at the gap point where the Fourier image is formed as in the first embodiment.

実施例3)
これまでの実施例ではメインスケールは透過方式のものや反射方式のものであったがいずれも平面上に格子を形成したものには相違ない。本発明の適用範囲は広く一般的な構成のエンコーダから特殊な構成を有したタイプのものにも適用可能である。この実施例3では曲面に格子が配置された例である。
Example 3)
In the embodiments so far, the main scale is of the transmissive type or of the reflective type, but both are different from those in which a grid is formed on a plane. The scope of application of the present invention is broad and can be applied to a type having a special configuration from an encoder having a general configuration. In the third embodiment, a grid is arranged on a curved surface.

図16では、具体的な製品搭載事例を掲げる。一眼レフカメラの交換レンズに搭載した光学式エンコーダの構成の一部であり、同図(A)はメインスケール110がオートフォーカスレンズを駆動するためのカム環300の内側面に301の部分で、両面テープで貼り付けて装着され、角度測定対象部材であるカム環300の回転角度を検出ヘッド200で計測するロータリエンコーダの構成図である。同図で示されるようにメインスケールが曲面格子の場合の構成例で、同図(B)は主要部の拡大図。また、同図(C)は検出ヘッド200の構成を示していて、光源112とインデックススケールと同等の光学作用をする受光素子アレイ部120を備えている。Zはこの構成での実質的なギャップ寸法を示している。   FIG. 16 shows a specific product mounting example. This is a part of the configuration of an optical encoder mounted on an interchangeable lens of a single-lens reflex camera. FIG. 9A shows a portion 301 on the inner side surface of the cam ring 300 for the main scale 110 to drive the autofocus lens. FIG. 5 is a configuration diagram of a rotary encoder that is attached with a double-sided tape and measures the rotation angle of a cam ring 300 that is an angle measurement target member with a detection head 200; As shown in the figure, a configuration example in which the main scale is a curved lattice is shown in FIG. FIG. 3C shows the configuration of the detection head 200, which includes a light source 112 and a light receiving element array section 120 that performs the same optical action as the index scale. Z indicates a substantial gap dimension in this configuration.

このような曲面配置されたメインスケールを用いた場合には光源からの発散光束がメインスケール面で波面変換され回折格子による回折強度を正確に求めることは容易ではないが、曲面格子反射面で受けた波面曲率変化を考慮して回折波の重ね合わせを実施することでこのような構成においても適用可能となる。   When such a curved main scale is used, it is not easy to accurately obtain the diffraction intensity by the diffraction grating because the divergent light beam from the light source is wavefront transformed on the main scale surface. It is also possible to apply to such a configuration by superimposing diffracted waves in consideration of the wavefront curvature change.

具体的には、図14で示した反射タイプの光学計算モデルにおいて曲面格子で受けた波面の曲率変化分は、この図14の仮想光源点L+1、L−1・・・の座標点を曲面回折格子で受けた波面曲率に合致するように変更することにより、これまでの実施例と同様に回折像の強度分布を求めることが可能で、得られた干渉像の強度分布式より3次高調波成分が最も少なくなるようなメインスケール110の開口率が決定できる。   Specifically, in the reflection type optical calculation model shown in FIG. 14, the change in curvature of the wavefront received by the curved grating is obtained by curved surface diffraction at the coordinate points of the virtual light source points L + 1, L-1,. By changing to match the wavefront curvature received by the grating, the intensity distribution of the diffraction image can be obtained in the same way as in the previous examples, and the third harmonic is obtained from the intensity distribution equation of the obtained interference image. The aperture ratio of the main scale 110 that minimizes the components can be determined.

以上、実施例1〜3で示したように、本発明は、適用するスケールとして、透過、反射両方のタイプで適用可能であり、また、実施形で示したリニアタイプに制限されるものではなく、ロータリタイプの放射状格子にも適用可能である。また、円筒曲面に配置した円筒スケールに対しても曲面の影響をある程度考慮して同様に適用可能である。   As described above in Examples 1 to 3, the present invention can be applied to both transmission and reflection types as the scale to be applied, and is not limited to the linear type shown in the embodiment. It is also applicable to a rotary type radial grating. In addition, the present invention can be similarly applied to a cylindrical scale arranged on a cylindrical curved surface in consideration of the influence of the curved surface to some extent.

また、メインスケールを照射する光束についても平行光束照明に限らず、発散光束でメインスケールを照明するタイプへも適用可能で同様の効果が得られ、照明系のタイプに応じて本発明の基本的な考え方を適用することで対応可能である。   Further, the luminous flux irradiating the main scale is not limited to the parallel luminous flux illumination, but can be applied to a type illuminating the main scale with a divergent luminous flux, and the same effect can be obtained. This can be done by applying various ideas.

また、実施例では主に3次高調波成分の低減、除去を取り上げたが、この方法では特に3次成分に限らずその他の成分でも適用可能でまた、複数の高次成分を取り扱うことも可能である。   In the embodiment, reduction and removal of the third-order harmonic component is mainly taken up. However, in this method, not only the third-order component but also other components can be applied, and a plurality of higher-order components can be handled. It is.

110 メインスケール
112 光源
113 コリメートレンズ
116 フォトダイオードアレイ
117 フォトダイオードアレイ
118 フォトダイオードアレイ
119 フォトダイオードアレイ
120 インデックススケール
121 電気回路ユニット
122 位置演算部
123 信号処理部
200 検出ヘッド
300 円筒体(被測定
301 スケール固定部
1 メインスケール
10 透明基板
11 光透過部(信号転送部)
12 不透過部(非転送部)
2 光照射手段
20 LED
21 コリメートレンズ
22 平行光
3 フォトダイオードアレイ
30 シリコン基板
31 フォトダイオード
DESCRIPTION OF SYMBOLS 110 Main scale 112 Light source 113 Collimating lens 116 Photodiode array 117 Photodiode array 118 Photodiode array 119 Photodiode array 120 Index scale 121 Electric circuit unit 122 Position calculation part 123 Signal processing part 200 Detection head 300 Cylindrical body (301 scale to be measured 301 scale) Fixed part 1 Main scale 10 Transparent substrate 11 Light transmission part (signal transfer part)
12 Non-transparent part (non-transfer part)
2 Light irradiation means 20 LED
21 Collimating lens 22 Parallel light 3 Photodiode array 30 Silicon substrate 31 Photodiode

Claims (5)

光源と、前記光源に対して相対的に移動し、前記光源から発光された光束を回折するための第1の回折格子を有するスケールと、複数の受光素子を有し、前記第1の回折格子で回折された回折光束が重畳されて形成される干渉縞を受光し、出力信号を得る受光素子アレイと、前記出力信号から前記光源と前記スケールの相対移動量を演算する演算部と、を有する光学式エンコーダにおいて、A light source; a scale that moves relative to the light source and has a first diffraction grating for diffracting a light beam emitted from the light source; and a plurality of light receiving elements, the first diffraction grating A light receiving element array that receives the interference fringes formed by superimposing the diffracted light beams diffracted in step (b) and obtains an output signal; and an arithmetic unit that calculates a relative movement amount of the light source and the scale from the output signal. In optical encoder,
前記第1の回折格子の光学有効開口率ARが40±5%、もしくは72±5%であることを特徴とする光学式エンコーダ。The optical encoder having an optical effective aperture ratio AR of 40 ± 5% or 72 ± 5% of the first diffraction grating.
前記光源の波長をλ、前記第1の回折格子のピッチをP、前記第1の回折格子の配列方向をx、前記第1の回折格子と前記受光素子アレイのギャップをz、前記受光素子アレイに重畳する干渉縞の基本波の周期をPOとしたとき、The wavelength of the light source is λ, the pitch of the first diffraction grating is P, the arrangement direction of the first diffraction grating is x, the gap between the first diffraction grating and the light receiving element array is z, and the light receiving element array When the period of the fundamental wave of the interference fringes superimposed on PO is PO,
Figure 2011075581
Figure 2011075581

とした場合、If
z=Zn±0.1×Z1の範囲を満たす請求項1に記載の光学式エンコーダ。The optical encoder according to claim 1 satisfying a range of z = Zn ± 0.1 × Z1.
光源と、前記光源に対して相対的に移動し、前記光源から発光された光束を回折するための第1の回折格子を有するスケールと、複数の受光素子を有し、前記第1の回折格子で回折された回折光束が重畳されて形成される干渉縞を受光し、出力信号を得る受光素子アレイと、前記出力信号から前記光源と前記スケールの相対移動量を演算する演算部と、を有する光学式エンコーダにおいて、A light source; a scale that moves relative to the light source and has a first diffraction grating for diffracting a light beam emitted from the light source; and a plurality of light receiving elements, the first diffraction grating A light receiving element array that receives the interference fringes formed by superimposing the diffracted light beams diffracted in step (b) and obtains an output signal; and an arithmetic unit that calculates a relative movement amount of the light source and the scale from the output signal. In optical encoder,
前記第1の回折格子の光学有効開口率をAR、前記第1の回折格子と前記受光素子アレイのギャップをz、としたとき、When the optical effective aperture ratio of the first diffraction grating is AR, and the gap between the first diffraction grating and the light receiving element array is z,
z<2mmの範囲において、前記光学有効開口率ARが44±5%、もしくは、78±5%In the range of z <2 mm, the optical effective aperture ratio AR is 44 ± 5% or 78 ± 5%.
の範囲にあることを特徴とする光学式エンコーダ。An optical encoder characterized by being in the range.
前記第1の回折格子を有するスケールは、曲面形状である請求項1乃至3の何れか一項に記載の光学式エンコーダ。The optical encoder according to any one of claims 1 to 3, wherein the scale having the first diffraction grating has a curved surface shape. 請求項1乃至4の何れか一項に記載の光学式エンコーダを搭載したレンズ装置。The lens apparatus carrying the optical encoder as described in any one of Claims 1 thru | or 4.
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