JP2004028776A

JP2004028776A - 光学式エンコーダ

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Publication number: JP2004028776A
Application number: JP2002184914A
Authority: JP
Inventors: Shingo Nihonmori; 二本森　辰悟
Original assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Current assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Priority date: 2002-06-25
Filing date: 2002-06-25
Publication date: 2004-01-29
Anticipated expiration: 2022-06-25
Also published as: JP4283498B2

Abstract

【課題】インデックススケールと共にメインスケールの回折格子を透過型で構成した上で、実質的に反射型エンコーダとして利用できるようにする。
【解決手段】透過型回折格子で形成されたメインスケール１０と、前記メインスケールに平行光束を垂直に照射する光源１２と、前記メインスケールに対して、前記光源と反対側に、平行に配設された反射面１４と、前記メインスケールに対して、前記光源と同側に、平行に配設された透過型回折格子で形成されたインデックススケール１６と、前記メインスケールに垂直に照射された際に透過した光が前記反射面で反射された後、該メインスケール上の異なる位置で回折して生成された第１回折光Ｌ（０，１）、Ｌ（０，−１）及び第２回折光Ｌ（１，−１）、Ｌ（−１，１）が、前記インデックススケールで合成されて生成した干渉光を検出する受光素子１８、２０とを備えた。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、光学式エンコーダに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、光の回折と干渉を利用してメインスケールの動きを検出することにより、その移動量を高精度に測定する反射型の光学式エンコーダが、例えば特開平３−２７９８１２号公報に提案されている。図６には、このような反射型のエンコーダの特徴を、レーザを照射する方向の断面におけるイメージで示す。このエンコーダは、透過型の回折格子からなるインデックススケール３０と、反射型の回折格子からなるメインスケール３２とが平行に配設され、図示しない光源から、矢印で示すようにインデックススケールに垂直にコヒーレントな平行光束が照射されるようになっている。
【０００３】
このエンコーダでは、インデックススケール３０に垂直に平行光束が照射されると、該インデックススケール３０では、そのまま透過する０次光と左右対象に回折された±１次光（実際にはｎ次光）とに分割される。このように左右対象であるため、以下には照射位置を中心として右側半分について説明する。
【０００４】
インデックススケール３０を透過した０次光は、メインスケール３２により回折されると共に反射されて＋１次の回折光Ｌ（０，１）となる。一方、インデックススケール３０により生成された１次回折光は、メインスケール３２により−１次光に再回折され、−１次回折光Ｌ（１，−１）となる。
【０００５】
このように生成された回折光Ｌ（０，１）及び回折光Ｌ（１，−１）が、インデックススケール３０上の矢印Ｓの位置で合成され、干渉光が生成される。
【０００６】
即ち、このエンコーダでは、メインスケール３２上で回折した＋１次光Ｌ（０，１）と、−１次光Ｌ（１，−１）をインデックススケール３０上で回折干渉させ、その干渉光を受光素子（図示せず）で検出することにより、メインスケール３２の動きに追従した正弦波状の信号を得ることができるようになっている。
【０００７】
図中、１次回折光Ｌ（０，１）は、メインスケール３２を矢印（右）方向にｘだけ移動させた場合を点線で示すと、移動前の実線に対して光の位相がΩだけ進み、逆に−１次回折光Ｌ（１，−１）は、実線に対して光の位相がΩだけ遅れることになる。この場合の位相変化Ωは、次式
Ω＝２πｎｘ／Ｐ　　　　…（１）
（ここで、ｎ：メインスケールで回折する光の回折次数、Ｐ：スケールのピッチ）
で表わされる。従って、前記インデックススケール３０上で生成される２光波の干渉像は、メインスケール３２がピッチＰ移動する間に、２回の明暗を繰り返すことになる。
【０００８】
上述した２種類の回折格子を使用する方式の従来のエンコーダでは、光の回折現象を利用しているため、特に格子の回折効率（入射光パワーに対する回折光パワーの比率）が重要となる。そこで、通常、回折効率に優れ、且つその値のコントロールが可能である位相格子が使用されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記位相格子では、そのピッチが光源の波長に近くなると、透過型格子と反射型格子とでは回折効率が大きく異なることが知られている。従って、位相格子を採用する方式を、前述した従来の反射型エンコーダに適用する場合には、透過型格子（インデックススケール）と反射型格子（メインスケール）とで、回折格子のパラメータ（高さ、幅）を変更する必要がある。便宜上、鋸歯状格子の場合について、図７（Ａ）に透過型を同図（Ｂ）に反射型のイメージを示すように、両者に要求される高さＬ_ＴとＬ_Ｒが大きく異なっている。又、通常このような回折格子は、フォトリソグラフィ技術により製造されるが、当然に透過型と反射型とでは、製造プロセスの条件が異なるため、それぞれのプロセスに対して別々に最適化を行なう必要があるという問題があった。
【００１０】
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、メインスケールの回折格子を透過型で構成した上で、実質的に反射型エンコーダとして機能させることができる光学式エンコーダを提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、透過型回折格子で形成されたメインスケールと、前記メインスケールに平行光束を垂直に照射する光源と、前記メインスケールに対して、前記光源と反対側に、平行に配設された反射面と、前記メインスケールに対して、前記光源と同側に、平行に配設された透過型回折格子で形成されたインデックススケールと、前記メインスケールに垂直に照射された際に透過した光が前記反射面で反射された後、該メインスケール上の異なる位置で回折して生成された第１回折光及び第２回折光が、前記インデックススケールで合成されて生成された干渉光を検出する検出手段とを備えたことにより、前記課題を解決したものである。
【００１２】
即ち、本発明においては、メインスケールを透過型回折格子で構成すると共に、その背面側（光源とは反対側）に反射面を形成するようにしたので、実質的に反射型の光学式エンコーダとして利用できる上に、メインスケールをインデックススケールと同一のプロセス条件で製造することができるようになる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１４】
本実施形態の光学式エンコーダは、光の回折と干渉を利用したものであり、メインスケールに平行光束を垂直に照射すると、該スケール上の格子により生成される０次光と±１次回折光とを該スケール裏面に設けた反射面で反射させ、再び該スケール上の回折格子により回折した光をインデックススケールの回折格子によって合成することを特徴としている。以下、これを具体的に説明する。
【００１５】
図１は、本発明に係る第１実施形態の光学式エンコーダの要部構成を示す概略断面図である。
【００１６】
本実施形態の光学式エンコーダは、透過型回折格子で形成されたメインスケール１０と、前記メインスケール１０に平行光束を垂直に照射する光源１２と、前記メインスケール１０に対して、前記光源とは反対側に、平行に配設された反射面１４と、前記メインスケール１０に対して、前記光源１２と同じ側に、平行に配設された透過型回折格子で形成されたインデックススケール１６とを備えていると共に、前記メインスケール１０を垂直に透過した０次光Ｌ（０）が前記反射面１４で反射された後、該メインスケール１０で左右対称に回折された第１回折光である＋１次光Ｌ（０，１）、−１次光Ｌ（０，−１）、及び、前記メインスケール１０で最初に左右対称に±１次回折された回折光Ｌ（１）、Ｌ（−１）が前記反射面１４で反射された後、該メインスケール１０で再回折された第２回折光である−１次光Ｌ（１，−１）、＋１次光Ｌ（−１，１）が、前記インデックススケール１６でそれぞれ合成されて生成した干渉光を検出する、左右対称に配設された受光素子（検出手段）１８、２０とを備えている。
【００１７】
本実施形態では、前記反射面１４は、前記メインスケール１０が形成されているガラス板等の透明板材の裏面に、クロム、アルミニウム、銀、金等の金属薄膜を直接被着することにより形成されている。
【００１８】
又、前記インデックススケール１６には、前記メインスケール１０に形成されている回折格子と同一のピッチＰの回折格子が、前記光源１２からの光入射位置を除いた左右の領域にそれぞれ形成されている。この左右の回折格子は、対応する左右の受光素子１８、２０で光電変換すると、９０°の位相差を有する２相信号が得られるように光を合成するために、図２にイメージを示すような（２ｍ＋１）Ｐ／４の相対位置にそれぞれ設定され、形成されている。なお、ここでｍは任意の整数である。
【００１９】
次に、本実施形態の作用を説明する。
【００２０】
前記光源１２からの光が、インデックススケール１６を通過し、メインスケール１０に入射すると、該スケール１０上の回折格子で０次光Ｌ（０）及び±１次光Ｌ（１）、Ｌ（−１）に分割される。但し、その際、回折光には、前述した従来のエンコーダの場合と同様に、メインスケール１０の平行移動に伴い±Ωの位相変化が、前記（１）式でｎ＝１とした次式
Ω＝２πｘ／Ｐ　　　　…（２）
により与えられる。
【００２１】
次に、前記メインスケール１０により分割されたそれぞれの光がメインスケール１０の裏面の反射面１４により反射され、再びメインスケール１０の異なる位置の回折格子に入射する。そして、再入射された各光は、メインスケール１０により回折され、生成する各回折光には±Ωの位相変化が与えられるが、メインスケール１０の回折格子により２度の回折を受ける１次回折光Ｌ（１）、Ｌ（−１）に対しては、一度目の回折で与えられた位相変化とは逆向きの位相変化が与えられるので、定常波、即ちスケールが移動しても位相が変化しない定常波光Ｌ（１，−１）、定常波光Ｌ（−１，１）となる。
【００２２】
一方、一度目の入射で回折しなかった０次光Ｌ（０）は二度目の入射で０次光（図示せず）及び±Ωの位相変化が与えられた＋１次回折光Ｌ（０，１）、−１次光Ｌ（０，−１）に分割される。その後、先の定常波光Ｌ（１，−１）、Ｌ（−１，１）と±１次回折光Ｌ（０，１）、Ｌ（０，−１）がそれぞれインデックススケール１６の異なる位置の回折格子で合成されると、メインスケール１０が格子１ピッチ分（Ｐ）移動する毎に１回の明暗を繰り返す干渉光が得られることになるため、前記受光素子１８、２０により受光した光の光電変換を行なうことにより、メインスケール１０の移動に伴う正弦波状の電気信号を得ることができる。
【００２３】
又、本実施形態では、前記図２を用いて説明したように、インデックススケール１６には、複数の位相差を持つ複数の信号を得ることができるように、光を合成する格子の配置を設定している。これにより、メインスケール１０の移動方向を判別することができる。なお、この図２では例として９０°の位相差を持つ２相信号を得るための例を示したが、例えば、図３に示すパターンのような相対位置で設定することにより、９０°位相差の４相信号を得ることができるようにしても、あるいは図示は省略するが１２０°の位相差が必要な場合には、各格子の相対的な配置を（２ｍ＋１）Ｐ／３に設定するようにしてもよい。
【００２４】
以上詳述した本実施形態によれば、実質的な機能は反射型エンコーダでありながら、透過型格子のみを使用することができる。従って、回折格子を製造するプロセス条件を、メインスケールとインデックススケールで変更する必要がないことから、製造工程の簡略化を図ることができる。
【００２５】
図４は、本発明に係る第２実施形態のエンコーダの要部を抽出すると共に簡略化して模式的に示す概略断面図である。本実施形態では、前記反射面１４が、メインスケール１０とは別な部材２２に、該スケール１０の全長に亘って形成されている。この場合は、メインスケール１０を加工する必要がないことから、部品の調達が容易になるという利点がある。
【００２６】
図５は、本発明に係る第３実施形態の要部を抽出した概略断面図である。本実施形態は、第２実施形態と同様に反射面１４が別部材２２に形成されているが、メインスケール１０の全長に亘ってではなく、インデックススケール１６とほぼ同一の長さになっていると共に、該インデックススケール１６と一緒に平行移動するようになっている。このような構成にすることにより、反射面の僅かな歪に起因するうねりの発生を抑えることができる。
【００２７】
以上、本発明について具体的に説明したが、本発明は、前記実施形態に示したものに限られるものでなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
【００２８】
例えば、前記実施形態では、反射面１４を金属薄膜で形成する例を示したが、これに限定されず、誘電体多層膜により形成するようにしてもよい。これには、金属薄膜では反射光が吸収されてしまう波長帯がある場合に、その波長帯に合ったものを選択して適用することができる利点がある。このような誘電体多層膜としては、例えば、高屈折率層としてＺｎＳ、ＴｉＯ_２等、低屈折率層としてＭｇＦ_２、ＳｉＯ_２等を組み合わせたものを挙げることができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明によれば、インデックススケールと共にメインスケールの回折格子を透過型で構成した上で、実質的に反射型エンコーダとして機能させることができる光学式エンコーダを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１実施形態の光学式エンコーダの要部を示す概略断面図
【図２】インデックススケールに形成されている格子パターンの一例を示す説明図
【図３】インデックススケールに形成されている格子パターンの他の一例を示す説明図
【図４】本発明に係る第２実施形態の光学式エンコーダの要部を示す概略断面図
【図５】本発明に係る第３実施形態の光学式エンコーダの要部を示す概略断面図
【図６】従来の透過型光学式エンコーダの要部を示す概略断面図
【図７】従来の問題点を示す説明図
【符号の説明】
１０…メインスケール
１２…光源
１４…反射面
１６…インデックススケール
１８、２０…受光素子
２２…別部材

Claims

透過型回折格子で形成されたメインスケールと、前記メインスケールに平行光束を垂直に照射する光源と、前記メインスケールに対して、前記光源と反対側に、平行に配設された反射面と、前記メインスケールに対して、前記光源と同側に、平行に配設された透過型回折格子で形成されたインデックススケールと、前記メインスケールに垂直に照射された際に透過した光が前記反射面で反射された後、該メインスケール上の異なる位置で回折して生成された第１回折光及び第２回折光が、前記インデックススケールで合成されて生成された干渉光を検出する検出手段とを備えたことを特徴とする光学式エンコーダ。
前記第１回折光が、前記メインスケールを垂直に透過した０次光が反射された後、該メインスケールで回折された＋１次光Ｌ（０，１）又は−１次光Ｌ（０，−１）であり、
前記第２回折光が、前記メインスケールで回折された±１次光が反射された後、該メインスケールで再回折された−１次光Ｌ（１，−１）又は＋１次光Ｌ（−１，１）であることを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。
前記反射面が、前記メインスケールの裏面に直接形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。
前記反射面が、金属薄膜により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。
前記反射面が、誘電体多層膜により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。
前記反射面が、前記メインスケールとは別な部材に形成されていることを特徴とする請求項１の記載の光学式エンコーダ。
前記インデックススケールに形成されている回折格子が、合成光を光電変換すると２相以上の任意の位相差を有する信号が得られる相対位置で設定されていることを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。