JP2007256692A - 光走査モジュール及びエンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】振動子などの往復移動のための大きなスペースがなくても、照明光の大きな走査幅を得ることが可能な光走査モジュールを提供する。
【解決手段】照明光ＩＬは、振動子２１の反射面２１ａによって反射され、レンズ２４に入射する。このとき、振動子２１は、所定の周期でその反射面に交差する矢印Ａ，Ａ’方向に往復移動しているので、その振動子２１の反射面２１ａで反射された照明光ＩＬは、往復移動しながらレンズ２４に入射する。このレンズ２４に入射した照明光ＩＬは、レンズ２４によって、振動子２１の往復移動に応じて、その出射角度が変更される。この結果、レンズ２１から出射される照明光ＩＬは、所定角度範囲で走査される。この場合、振動幅の小さな、小型の振動子を採用できる。
【選択図】図１

Description

本発明は光走査モジュール及びエンコーダに係り、更に詳しくは、光源からの照明光を走査する光走査モジュール、及び該光走査モジュールを用いたエンコーダに関する。

従来より、移動体の位置制御などを行なう際には、光学式エンコーダが比較的多く用いられている。この光学式エンコーダには、種々のタイプが存在するが、近年、移動体の移動方向に沿って周期的なパターンが形成されたスケールと、このスケールを照明する照明光を移動体の移動方向に沿って振動させるプローブと、スケールで反射し、照明光の振動情報と、スケールの位置情報とを含んだ反射光を検出する検出器とを備え、この検出器から検出される検出信号と、照明光を振動させるための駆動信号とに基づいてスケールの位置情報を求めるエンコーダ（スキャン型エンコーダとも呼ばれる）が提案されている（例えば特許文献１参照）。この特許文献１に開示されるようなスキャン型エンコーダは出力信号のＳ／Ｎ比が大きく、スケールの位置検出を高精度で行なうことができる。

しかしながら、このスキャン型エンコーダでは、スケールを照明する照明光を移動体の移動方向に沿って振動させ、周期的なパターンを必要な範囲で走査する必要がある。そのため、例えばプローブを振動方向に所定ストロークで往復駆動する場合には、そのストロークを十分に確保するために、そのプローブの駆動のための大きなスペースが必要となるとともに、プローブの駆動機構が大型化する傾向があった。

一方、スケールを照明する照明光を移動体の移動方向に沿って走査する手法として、例えば音叉型水晶振動子を用い、この音叉型水晶振動子の振動を利用してスケールに入射させる照明光の出射角を変調させることが考えられる。しかし、この場合、音叉型水晶振動子による照明光の出射角の変調は、外乱の影響を受け易いという欠点を有している。

米国特許第６，６３９，６８６明細書

本発明は、上述の事情の下になされたもので、第１の観点からすると、照明光を走査する光走査モジュールであって、前記照明光が入射する反射面を有し、所定の周期で前記反射面に交差する方向に往復移動しながら前記照明光を前記反射面で反射する反射光学部材と；前記反射光学部材によって反射された前記照明光を入射し、前記反射光学部材の往復移動に応じて、前記照明光の出射角度を変更する変更部材と；を備える第１の光走査モジュールである。

これによれば、照明光は、反射光学部材の反射面によって反射され、変更部材に入射する。このとき、反射光学部材は、所定の周期でその反射面に交差する方向に往復移動しているので、その反射光学部材の反射面で反射された照明光は、往復移動しながら変更部材に入射する。この変更部材に入射した照明光は、変更部材によって、反射光学部材（反射面）の往復移動に応じて、その出射角度が変更される。この結果、変更部材から出射される照明光は、所定角度範囲で走査される。すなわち、反射光学部材の反射面で反射された照明光の往復移動が、変更部材によって角度方向の走査に変換され、結果的に大きな走査角、ひいては走査幅を得ることが可能になる。従って、反射光学部材のストロークを小さくすることができ、反射光学部材として例えば小型の振動子などを採用することが可能になる。

本発明は第２の観点からすると、照明光源から射出される照明光を走査する光走査モジュールであって、所定の周期で振動し、入射した前記照明光を反射して、前記照明光を走査する走査振動子と；前記走査振動子を収容するとともに、前記照明光源が接続される容器と；を備え、前記容器は、その一部が前記走査振動子によって走査された前記照明光が透過する透過型光学素子によって構成され、かつ内部が真空状態又は不活性ガスで満たされている状態であることを特徴とする第２の光走査モジュールである。

これによれば、照明光源から射出された照明光は、照明光源が接続される容器に収容された走査振動子に入射し、その走査振動子で反射されて走査される。この場合、容器は、その一部が走査振動子によって走査された前記照明光が透過する透過型光学素子によって構成され、かつ内部が真空状態又は不活性ガスで満たされている状態に維持されている。従って、容器内部に存在する走査振動子に入射する照明光、又は走査振動子で反射された照明光が、例えば微小なパーティクルなどの異物によって散乱される、あるいは雰囲気の温度変動の影響を受けるなど、外乱の影響を受けるおそれが効果的に抑制される。また、走査振動子が受ける外乱に対する影響、例えば雰囲気の相対湿度変化や異物付着などによる振動子の振動数変化も同時に抑制される。従って、走査振動子の振動周期に基づいて照明光を高精度に走査（又は角度変調）することが可能となる。また、振動子を収容する容器の一部は照明光が透過する透過型光学素子によって構成されていることから、部品点数を削減することが可能となる。

本発明は、第３の観点からすると、本発明の第１、第２の光走査モジュールのいずれかと；第１、第２の光走査モジュールのいずれかによって走査された前記照明光が照射されるとともに、計測方向を周期方向とする回折格子が形成されたスケールと；を備えるエンコーダである。

以下、本発明の一実施形態を図１に基づいて説明する。図１には、一実施形態に係るエンコーダ１００の構成が概略的に示されている。このエンコーダ１００は、回折干渉方式のエンコーダであり、図１における矢印Ｂ，Ｂ’方向（Ｘ軸方向）に移動する不図示の移動体の変位を検出するリニアエンコーダである。

図１に示されるように、エンコーダ１００は、光源ユニット１０、光ファイバ１２、光走査モジュール２０、インデックス回折光学素子（インデックススケール）１３、ミラー１４Ａ，１４Ｂ、移動回折光学素子（移動スケール）１５、及び受光素子１６を備えている。

前記光源ユニット１０は、例えばコヒーレントな光、例えば波長λ（＝８５０ｎｍ）のレーザ光を発振する光源を含む。そして、この光源ユニット１０から射出される照明光ＩＬは一端が光源ユニット１０に接続された光ファイバ１２により光走査モジュール２０内へ導かれている。

前記光走査モジュール２０は、ケーシング２２、走査振動子（以下、「振動子」と略述する）２１及びレンズ２４等を備えている。

前記ケーシング２２は、例えばアルミニウム又はステンレス鋼などの金属から成る中空の略直方体状で、例えば窒素ガス又はヘリウムなどの希ガス、あるいはこれらの混合ガスである不活性ガスが充填された気密容器である。このケーシング２２の−Ｘ側の側壁には、丸孔２２ｃが形成され、該丸孔２２ｃに上記光ファイバ１２の他端に設けられたコネクタ１２ａが、不図示のシール材を介して挿入されている。コネクタ１２ａの内部に光ファイバ１２の他端（射出端）が挿入されており、この射出端から照明光ＩＬが＋Ｘ方向に向けて射出されるようになっている。

前記振動子２１は、ケーシング２２内部でかつコネクタ１２ａの＋Ｘ側に所定距離隔てた位置に、ＸＺ面に直交してかつＹＺ面及びＸＹ面に対して４５°傾斜した状態で配置されている。この振動子２１は、例えば長方形板状の水晶から成り、不図示の発振回路及び電源が接続されている。そして、この振動子２１は、電源から発振回路に電圧が印加されることにより、矢印Ａ、Ａ’で示されるように、その厚さ方向に所定の振動数かつ所定の振幅で周期的に振動（往復駆動）される。これにより、振動子２１へ入射した照明光ＩＬは、振動子２１の表面（反射面）２１ａで−Ｚ方向に反射されるとともに、所定振幅でＸ軸方向に関して振動（走査）させられる。

レンズ２４は、振動子２１の直下のケーシング２２の底壁に形成された開口２２ｂに不図示のシール材を介して嵌めこまれている。このレンズ２４は、振動子２１で反射された照明光ＩＬを入射する凸状の入射面（非球面）と、入射した照明光ＩＬを射出する平面状の出射面とを有する凸平状の屈折光学素子（非球面レンズ）である。このレンズ２４は、所定の振幅で周期的に振動（往復駆動）される照明光ＩＬを、レンズ２４への入射位置に応じて、換言すれば振動子２１の往復移動に応じてＸ軸方向に、屈折させ、出射角度を変更する。これにより、図中の矢印Ｃで示されるように、照明光ＩＬが、所定の角速範囲で角度変調され、インデックススケール１３の表面に沿ってＸ軸方向に走査される。

前記インデックススケール１３は、光走査モジュール２０の下方にＸＹ面に平行に配置された長手方向をＸ軸方向とする長方形板状のガラス部材から成る。このインデックススケール１３の上面には、周期方向をＸ軸方向とする所定ピッチｐの回折格子（透過型の位相格子）が形成されている。このインデックススケール１３は、入射した照明光ＩＬに基づいて複数の回折光を発生させる。図１では、それらの回折光のうち、インデックススケール１３のＸ軸方向中央部で発生した±１次回折光が示されている。実線で示される＋Ｘ側に射出される回折光が＋１次回折光であり、点線で示される−Ｘ側に射出される回折光が−１次回折光である。なお、これらの回折光の出射角は、インデックススケール１３の回折格子のピッチｐとレーザ光の波長λとによって決定される。

ミラー１４Ａ，１４Ｂは、インデックススケール１３の下方で、互いにその反射面が対向するように、かつそれぞれＹＺ面にほぼ平行に配置されている。インデックススケール１３で発生した＋１次回折光は、ミラー１４Ａで反射した後移動スケール１５上に入射する。一方、インデックススケール１３で発生した−１次回折光は、ミラー１４Ｂで反射した後移動スケール１５上に入射する。本実施形態では、インデックススケール１３の同一位置から発せられた±１次回折光は、ミラー１４Ａ，１４Ｂで反射した後に移動スケール１５上の同じ位置で交わる（すなわち、インデックススケール１３で分離された±１次回折光は、移動スケール１５の同一位置に入射する）ようにインデックススケール１３と、ミラー１４Ａ，１４Ｂと、移動スケール１５の配置面との位置関係が設定されている。

移動スケール１５は、不図示の移動体に取り付けられており、その移動体と共に図中の矢印Ｂ、Ｂ’で示されるように、Ｘ軸方向に沿って移動する。この移動スケール１５は、ミラー１４Ａ，１４Ｂの下方にＸＹ面に平行に配置された長手方向をＸ軸方向とする長方形板状のガラス部材から成る。この移動スケール１５の表面には、周期方向をＸ軸方向とする回折格子（透過型の位相格子）が形成されている。この回折格子のピッチは、インデックススケール１３のインデックス格子のピッチと同じｐであり、そのピッチｐは、５０μｍ以下、例えば８μｍ程度である。

インデックススケール１３から発せられた±１次回折光の回折光は、移動スケール１５に入射すると、移動スケール１５に形成された回折格子の回折作用により再び回折する。移動スケール１５で発生する回折光の出射角は、移動スケール１５に入射する±１次回折光の入射角、移動スケール１５の回折格子のピッチｐ、レーザ光の波長λによって定まる。

移動スケール１５からは、インデックススケール１３からの＋１次回折光の−１次回折光と、インデックススケール１３からの−１次回折光の＋１次回折光とが、ともに鉛直下方（−Ｚ方向）に射出され、これらの回折光は、互いに干渉した状態で、受光素子１６に入射する。受光素子１６は、上記の干渉光の干渉強度を示す電気信号を出力するようになっている。

この場合の受光素子１６からの出力信号は、振動子２１により振動され、さらにレンズ２４により角度変調された照明光ＩＬに基づく信号である。従って、受光素子１６からの信号を、時間に関するベッセル級数展開を用いて演算処理することで、移動スケール１５の位置情報を算出することができる。

以上説明したように、本実施形態に係る光走査モジュール２０によると、光源ユニット１０で発せられた照明光ＩＬは、光ファイバ１２を介して振動子２１の表面（反射面）２１ａによって反射され、レンズ２４に入射する。このとき、振動子２１は、その厚さ方向（矢印Ａ、Ａ’で示される方向）に、所定の周期で振動（往復移動）しているので、その表面（反射面）２１ａで反射された照明光ＩＬは、往復移動しながらレンズ２４に入射する。このレンズ２４に入射した照明光ＩＬは、レンズ２４によって入射位置に応じて（振動子２１の往復移動に応じて）屈折されることで、その出射角度が変更される。この結果、レンズ２４から出射される照明光ＩＬは、所定角度範囲で走査される。すなわち、振動子２１の反射面２１ａで反射された照明光ＩＬの往復移動が、レンズ２４によって角度方向の走査に変換され、結果的に大きな走査角、ひいては走査幅（インデックススケール１３上でのＸ軸方向の走査幅）を得ることが可能になる。従って、本実施形態では、振動子２１の振動幅（ストローク）を小さくすることができ、振動子２１として小型の振動子を採用することが可能になっている。この小型化により振動子２１自体の共振周波数が高くなり、往復駆動時（振動時）の周波数を向上させることができる。

また、振動子２１の振動幅を小さくすることで、振動子２１により照明光ＩＬを振動させる際の誤差を小さくすることができるとともに、光走査モジュール２０の小型化を図ることが可能となる。

また、本実施形態に係る光走査モジュール２０によると、光源ユニット１０から射出された照明光ＩＬは、光源ユニット１０に接続された光ファイバ１２を介してケーシング２２に収容された振動子２１に入射し、その振動子２１で反射されて走査される。この場合、ケーシング２２は、その一部が振動子２１によって走査された照明光ＩＬが透過するレンズ２４によって構成され、かつ内部が不活性ガスで満たされている。従って、ケーシング２２内部の不活性ガス中に存在する振動子２１に入射する照明光ＩＬ、又は振動子２１で反射された照明光ＩＬが、例えば微小なパーティクルなどの異物によって散乱される、あるいは雰囲気の温度変動の影響を受けるなど、外乱の影響を受けるおそれが効果的に抑制されている。また、振動子２１が受ける外乱に対する影響、例えば雰囲気の相対湿度変化や異物付着などによる振動子２１の振動数変化も同時に抑制されている。従って、振動子２１の振動周期に基づいて照明光ＩＬを高精度に走査、ひいてはレンズ２４を介して角度変調することが可能となる。また、振動子２１を収容するケーシング２２の一部は照明光ＩＬが透過するレンズ２４によって構成されていることから、部品点数を削減することが可能となる。

また、本実施形態に係るエンコーダ１００は、振動幅を小さくすることで、照明光ＩＬを振動させる際の誤差を小さくし、かつ往復駆動時（振動時）の周波数を向上させることができる小型の振動子２１が用いられるとともに、照明光ＩＬの振動中心のドリフトが効果的に抑制され、振動子２１の振動周期に基づいて照明光ＩＬを高精度に走査、ひいてはレンズ２４を介して角度変調することが可能な光走査モジュール２０を備えている。従って、エンコーダ１００によると、光走査モジュール２０によってインデックススケール１３上で照明光ＩＬを走査することで、高精度な照明光ＩＬの走査が可能になり、結果的に移動スケール１５の位置を精度良く求めることが可能になる。

なお、上記実施形態では、照明光ＩＬを走査するのに長方形板状の水晶から成る振動子２１を用いたが、これに限らず、例えばミラー又はプリズムなどの反射光学素子を用い、該反射光学素子を圧電素子のなどの駆動素子その他の駆動機構を用いて、反射面と交差する方向、例えば厚さ方向に往復移動させても良い。要は、変更部材（上記実施形態ではレンズ２４）に入射する照明光を、Ｘ軸方向に関して所定ストロークで振動させることが出来れば良い。この意味からすると、振動子２１の往復移動（振動）や、反射光学素子の往復移動は、上述の矢印Ａ，Ａ’方向に限らず、反射面に交差する方向であれば良い。

また、上記実施形態では、レンズ２４が光走査モジュール２０のケーシング２２の一部を兼ねている場合について説明したが、これに限らず、例えば図２（Ａ）に示される第１の変形例の光走査モジュール２０’のように、インデックススケール１３をケーシング２２’の底面に形成された開口内に装着しても良い。また、この図２（Ａ）の光走査モジュールの場合、振動子２１に代えて、図中の点Ｏを中心に矢印Ｄ，Ｄ’で示されるように回動する振動子２１’が用いられている。この振動子２１’は、例えば音叉型の水晶振動子などで構成することができる。また、この図２（Ａ）のケーシング２２’の内部は、前述のように不活性ガスで満たされている。

この図２（Ａ）の光走査モジュール２０’を、前述の第１の実施形態の光走査モジュール２０に代えて用いる場合には、図２（Ａ）の光走査モジュール２０’と、ミラー１４Ａ，１４Ｂ、移動スケール１５及び受光素子１６とを組み合わせて、エンコーダを構成するようにすれば良い。このようにすることで、上記実施形態と同様に、ケーシング２２’内部の不活性ガス中に存在する振動子２１’に入射する照明光ＩＬ、又は振動子２１’で反射された照明光ＩＬが、例えば微小なパーティクルなどの異物によって散乱される、あるいは雰囲気の温度変動の影響を受けるなど、外乱の影響を受けるおそれが効果的に抑制されている。また、走査振動子が受ける外乱に対する影響、例えば雰囲気の相対湿度変化や異物付着などによる振動子の振動数変化も同時に抑制されている。従って、振動子２１’の振動周期に基づいて照明光ＩＬを高精度に角度変調することが可能となる。また、ケーシング２２’の一部は照明光ＩＬが透過するインデックススケールによって構成されていることから、上記実施形態に比べても部品点数の更なる削減が可能となる。

あるいは、例えば図２（Ｂ）に示される第２の変形例の光走査モジュール２０”のように、平凸レンズの平面上にインデックス格子を形成した光学部材１３’をケーシング２２”の底面に形成された開口内に隙間無く装着しても良い。また、この図２（Ｂ）の光走査モジュール２０”の場合、振動子２１に代えて上記振動子２１’が用いられている。また、この図２（Ｂ）のケーシング２２”の内部は、前述のように不活性ガスで満たされている。

この図２（Ｂ）の光走査モジュールを、前述の第１の実施形態の光走査モジュール２０に代えて用いる場合には、図２（Ｂ）の光走査モジュール２０”と、ミラー１４Ａ，１４Ｂ、移動スケール１５及び受光素子１６とを組み合わせて、エンコーダを構成するようにすれば良い。このようにすることで、上述の第１の変形例と同等の効果を得ることができる。

なお、上記実施形態及び各変形例では、光源ユニット１０から射出される照明光ＩＬを、光ファイバ１２を用いてケーシング（気密容器）の内部に導く場合について説明したが、これに限らず半導体レーザなどの小型の光源をケーシングの内部に設けても良い。この場合、光源が光走査モジュールの一部となる。

また、上記実施形態では、振動子２１又は２１’が気密容器内に収容された場合について説明したが、振動子が受ける外乱の影響を無視できる、あるいはその影響を別の手段によって取り除くことができるなどの場合には、気密容器を必ずしも設けなくても良い。かかる場合にも、前述の振動子２１のように反射面に交差する方向に往復移動する反射光学部材と、レンズ２４のような変更部材との組み合わせを用いることで、反射光学部材の反射面で反射された照明光の往復移動が、変更部材によって角度方向の走査に変換され、結果的に大きな走査角、ひいては走査幅を得ることが可能になる。

また、上記実施形態では、インデックススケール１３と移動スケール１５とが有する回折格子の格子ピッチを同一としたが、これに限らず両者の格子のピッチを相互に異ならせても良い。

また、上記実施形態では、移動スケール１５が移動する場合について説明したが、これに限らず、移動スケールが固定され光学系などの移動スケール１５以外の部分が移動する場合につても本発明は好適に適用できる。また、回折干渉方式の透過型の光学式エンコーダの構成は、上記実施形態の構成に限定されないことは勿論である。例えば、上述のミラー１４Ａ，１４Ｂに代えて、インデックススケール１３からの＋１次回折光の−１次回折光と、インデックススケール１３からの−１次回折光の＋１次回折光とを、移動スケール１５上の同一点に入射させる回折光学素子を用いても良い。

なお、上記実施形態では回折干渉方式の透過型の光学式エンコーダに本発明が適用された場合について説明したが、これに限らず、本発明は、いわゆる光ピックアップ方式や、いわゆる影絵方式など、その他の方式のエンコーダであっても照明光をスケール上で走査する場合には好適に適用できる。また、透過型の光学式エンコーダに限らず、反射型の光学式エンコーダにも本発明は適用できる。

また、上記実施形態ではレンズ２４として凸平状の非球面レンズを用いたが、これに限らず本発明は、平凸レンズ、両凸レンズ、平凹レンズ、両凹レンズ、メニスカスレンズ等を用いる場合にも好適である。

また、上記実施形態ではケーシング２２の内部には不活性ガスが充填されている場合について説明したが、これに限らず、ケーシング２２の内部は真空状態であってもよい。

以上説明したように、本発明の光走査モジュールは照明光を走査するのに適しており、本発明のエンコーダは移動体の変位又は位置情報を検出するのに適している。

本発明の一実施形態に係るエンコーダの概略的な構成を示す図である。 図２（Ａ）は、第１の変形例に係る光走査装置を説明するための図、図２（Ｂ）は、第２の変形例に係る光走査装置を説明するための図である。

符号の説明

１０…光源ユニット、１２…光ファイバ、１３…インデックススケール、１５…移動スケール、２０…光走査モジュール、２１…振動子、２１ａ…反射面、２２…ケーシング、２４…レンズ、１００…エンコーダ、ＩＬ…照明光。

Claims (12)

1. 照明光を走査する光走査モジュールであって、
   前記照明光が入射する反射面を有し、所定の周期でその反射面に交差する方向に往復移動しながら前記反射面で前記照明光を反射する反射光学部材と；
   前記反射光学部材によって反射された前記照明光を入射し、前記反射光学部材の往復移動に応じて、前記照明光の出射角度を変更する変更部材と；を備える光走査モジュール。
2. 前記反射光学部材は、走査振動子であることを特徴とする請求項１に記載の光走査モジュール。
3. 前記反射光学部材は、駆動源によって往復駆動される反射光学素子であることを特徴とする請求項１に記載の光走査モジュール。
4. 前記変更部材は、前記照明光を入射する入射面と、入射した前記照明光を射出する出射面とを有し、前記入射面と前記出射面とのいずれか一方を凸状又は凹状に形成した光学素子を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光走査モジュール。
5. 前記光学素子は、屈折光学素子であることを特徴とする請求項４に記載の光走査モジュール。
6. 前記反射光学部材及び前記変更部材のうち、少なくとも反射光学部材は、その内部が真空状態又は不活性ガスが充填された状態に維持された気密容器内に配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の光走査モジュール。
7. 前記変更部材は、前記気密容器の一部を構成することを特徴とする請求項６に記載の光走査モジュール。
8. 前記照明光を射出する照明光源が、前記気密容器に一体的に接続されていることを特徴とする請求項６又は７に記載の光走査モジュール。
9. 照明光源から射出される照明光を走査する光走査モジュールであって、
   所定の周期で振動し、入射した前記照明光を反射して、前記照明光を走査する走査振動子と；
   前記走査振動子を収容するとともに、前記照明光源が接続される容器と；を備え、
   前記容器は、その一部が前記走査振動子によって走査された前記照明光が透過する透過型光学素子によって構成され、かつ内部が真空状態又は不活性ガスで満たされている状態であることを特徴とする光走査モジュール。
10. 前記透過型光学素子は、屈折光学素子であることを特徴とする請求項９に記載の光走査モジュール。
11. 前記透過型光学素子は、その一方の面に回折格子が形成された光学素子であることを特徴とする請求項９に記載の光走査モジュール。
12. 請求項１〜１１のいずれか一項に記載の光走査モジュールと；
    前記光走査モジュールによって走査された前記照明光が照射されるとともに、計測方向を周期方向とする回折格子が形成されたスケールと；を備えるエンコーダ。

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