JP2008116342A - エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】エンコーダの小型化及び低コスト化を図る。
【解決手段】第１インデックススケール２０で生成された＋１次回折光及び−１次回折光を、相互に逆位相の変調信号Ｖ（ｔ）、及び変調信号Ｖ’（ｔ）に基づいて、それぞれの光路上に配置された電気光学素子１６Ａ,１６Ｂによって周期的に偏向する。そして、受光素子２６へ干渉光が入射することによって得られる光電変換信号Ｉ（ｔ）に基づいて移動体の位置情報を検出する。これにより、＋１次回折光と−１次回折光とを、機械的に変調するスキャン機構を用いることなく変調することが可能となるため、装置の小型化を図ることが可能となる。また、電気光学素子１６Ａ,１６Ｂそれぞれは単体で回折光を偏向することが可能であるため、スキャン機構の構造を単純化することができ、装置の低コスト化を図ることが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンコーダに係り、さらに詳しくは、移動体の位置情報を光学的に検出するエンコーダに関する。

近年、スキャン方式のエンコーダとして、移動体とともに移動し、かつ移動方向に沿って周期的に形成された格子を有するスケールに、所定の変調信号に基づいて変調された照明光を照射して、その反射光又は透過と、変調信号とを比較することで、スケールの位置情報を検出するエンコーダが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この種のスキャン方式のエンコーダでは、照明光を周期的に変調する必要があるため、例えば、照明光の光路中にピエゾ素子などによって振動される偏向ミラーなどが配置されている。しかしながら、機械的にミラーを駆動する方式のスキャナは、大きな設置スペースが必要となるため、装置が大型化するという不都合がある。また、駆動機構が複雑になるため装置の高コスト化を招くという不都合もある。

米国特許第６,６３９,６９６号明細書

本発明は、第１の観点からすると、変調信号に基づいて変調された照明光の干渉を利用して、移動体の位置情報を検出するエンコーダであって、前記照明光を、回折して第１回折光と第２回折光を生成する回折部材と；前記移動体に固定され、前記移動体の移動方向に配列されたパターンを有するスケールと；前記第１回折光の光路上に配置され、前記第１回折光を前記変調信号に基づいて、前記パターンの配列方向へ周期的に偏向する第１電気光学素子と；前記変調信号の位相をシフトする位相シフト回路と；前記第２回折光の光路上に配置され、前記第２回折光を前記位相シフト回路により位相がシフトされた前記変調信号に基づいて、前記パターンの配列方向へ周期的に偏向する第２電気光学素子と；を備えるエンコーダである。

これによれば、照明光が回折部材を経由することで生成された第１回折光と第２回折光とは、変調信号、及び位相がシフトされた変調信号に基づいて第１、第２電気光学素子が駆動されることにより、機械的に変調するスキャン機構を用いることなく、スケールに形成されたパターンの配列方向へ周期的に偏向される。そして、第１回折光と第２回折光との干渉を利用して、移動体の位置情報が検出される。

したがって、第１回折光と第２回折光とを機械的に変調するスキャン機構を用いる必要がなくなるため、装置の小型化を図ることが可能となる。また、第１回折光と第２回折光とを変調する光学素子は単体で回折光を偏向することが可能であるため、スキャン機構の構造を簡略化することができ、装置の低コスト化を図ることが可能となる。また、位相シフト回路により、第２光学素子の変調信号の位相をシフトすることで、エンコーダの変調度を任意に調整することが可能となる。

本発明は、第２の観点からすると、変調信号に基づいて変調された照明光の干渉を利用して、移動体の位置情報を検出するエンコーダであって、前記変調信号に基づいて前記照明光に含まれるＳ偏光成分又はＰ偏光成分を周期的に偏向する電気光学素子と；前記電気光学素子を透過した前記照明光の前記Ｓ偏光成分と前記Ｐ偏光成分を分離する分離光学系と；前記移動体に固定され、前記移動体の移動方向に配列されたパターンを有するすスケールと；前記照明光の前記Ｓ偏光成分と前記Ｐ偏光成分とを前記スケールに照射して、前記パターンの配列方向に振動する干渉光を生成する導光光学系と；を備えるエンコーダである。

これによれば、光源から射出された照明光のＳ偏光成分又はＰ偏光成分は、機械的に変調するスキャン機構を用いることなく、電気光学素子により周期的に偏向され、導光光学系によって照明光がスケールに照射されることによるＳ偏光成分とＰ偏光成分との干渉を利用して、移動体の位置情報が検出される。

したがって、照明光を機械的に変調するスキャン機構を用いる必要がなくなるため、装置の小型化を図ることが可能となる。また、光学素子は単体で回折光を偏向することが可能であるため、スキャン機構の構造を簡略化することができ、装置の低コスト化を図ることが可能となる。

《第１の実施形態》
以下、本発明の第１の実施形態を図１に基づいて説明する。図１には、本発明の第１の実施形態に係るエンコーダ１０の概略的な構成が示されている。図１に示されるように、エンコーダ１０は、いわゆる回折干渉方式のエンコーダであり、所定方向（Ｘ軸方向）に移動する移動体の移動方向、あるいは移動量、あるいは変位を検出するリニアエンコーダである。

このエンコーダ１０は、図１に示されるように、光源１２、コリメータレンズ１８、第１インデックススケール２０、第２インデックススケール２２、２つの電気光学素子１６Ａ,１６Ｂ、移動スケール２４、受光素子２６、変調信号生成回路３１、及び位相シフト回路３２などを備えている。

光源１２は、コヒーレントな光、例えば波長λ（＝８５０ｎｍ）の照明光を図１における下方（−Ｚ方向）へ射出する。

コリメータレンズ１８は、光源１２の下方に配置され、光源１２から射出された照明光を平行光に成形する。

第１インデックススケール２０は、コリメータレンズ１８の下方に配置されている。この第１インデックススケール２０は、Ｘ軸方向を周期方向とする回折格子が形成された透過型の位相格子であり、コリメータレンズ１８を透過した照明光が入射すると、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、第１インデックススケール２０で発生した±１次回折光（図１において、＋Ｘ側に出射している回折光を＋１次回折光とし、−Ｘ側に出射している回折光を−１次回折光とする）が示されている。

電気光学素子１６Ａ,１６Ｂそれぞれは、例えば、ＥＯＭ（Electro-Optic Modulator）などの光学的な変調素子からなり、第１インデックススケール２０からの＋１次回折光及び−１次回折光の光路上にそれぞれ配置されている。

第２インデックススケール２２は、電気光学素子１６Ａ,１６Ｂの下方に配置されている。この第２インデックススケール２２は、例えば第１インデックススケール２０と同様に、Ｘ軸方向を周期方向とする回折格子が形成された透過型の位相格子であり、第１インデックススケール２０で生成され、電気光学素子１６Ａ,１６Ｂを経由した＋１次回折光及び−１次回折光を回折し、これらの±１次回折光を移動スケール２４上に少なくとも一部が重なりあった状態で入射させる。

移動スケール２４は、第２インデックススケール２２の下方にＸ軸方向に移動可能に配置されている。この移動スケール２４は、Ｘ軸方向を周期方向とする回折格子が形成された透過型の位相格子であり、入射した±１次回折光を回折し相互に干渉した状態で受光素子２６へ入射させる。

受光素子２６は、移動スケール２４の下方に配置されている。この受光素子２６は、移動スケール２４を経由した±１次回折光（以下、干渉光ともいう）が入射すると、干渉光の干渉強度に応じた光電変換信号Ｉ（ｔ）を出力する。

変調信号生成回路３１は、次式（１）で示される変調信号Ｖ（ｔ）を生成し、位相シフト回路３２及び電気光学素子１６Ｂへ出力する。なお、ｒは係数であり、ωは角周波数であり、ｔは時間である。
Ｖ（ｔ）＝ｒ・ｓｉｎ（ωｔ）…（１）

位相シフト回路３２は、変調信号Ｖ（ｔ）の位相を、例えばθ_Ｓだけシフトして次式（２）で示される変調信号Ｖ’（ｔ）を生成し、電気光学素子１６Ａへ出力する。なお、ここでは、位相シフト回路３２は、変調信号Ｖ（ｔ）の位相をπ（＝θ_Ｓ）だけシフトし、変調信号Ｖ（ｔ）とは逆位相の変調信号Ｖ’（ｔ）を生成するものとする。
Ｖ’（ｔ）＝ｒ・ｓｉｎ（ωｔ−θ_Ｓ）…（２）

上述のように、電気光学素子１６Ａ,１６Ｂに、それぞれ変調信号生成回路３１で生成された変調信号Ｖ（ｔ）、及び位相シフト回路３２で生成された変調信号Ｖ’（ｔ）が供給されることで、第１インデックススケールで生成された＋１次回折光、及び−１次回折光それぞれは、電気光学素子１６Ａ,１６Ｂにより、相互に逆位相で、Ｘ軸方向に周期的に偏向（変調）される。そして、電気光学素子１６Ａ,１６Ｂにより変調された＋１次回折光及び−１次回折光は、第２インデックススケール２２を介して、相互に干渉した状態で移動スケール２４へ入射する。

移動スケール２４へ入射する±１次回折光は、それぞれ逆位相となるように変調されているため、移動スケール２４上では、これらの±１次回折光の干渉によって形成される干渉縞は、変調信号Ｖ（ｔ）,Ｖ’（ｔ）の角周波数ωに比例してＸ軸に沿って移動する。この結果、受光素子２６で干渉光を受光することにより得られる光電変換信号Ｉ（ｔ）は、移動スケール２４の位置情報を変調信号Ｖ（ｔ）で変調したものとなり、次式（３）で示される。なお、Ｘ_０は初期オフセット量であり、ｘは第１インデックススケール２０に対する移動スケール２４の位相である。
Ｉ（ｔ）＝Ｘ_０＋Ａ・ｃｏｓ［ｒω・ｓｉｎ（ωｔ）＋ωｘ］ …（３）

したがって、光電変換信号Ｉ（ｔ）に対して、例えば、不図示の受光回路を用いて、米国特許第６,６３９,６９６号明細書に記載の処理を行うことで、移動スケール２４の位置情報及び移動情報を算出することができ、これをエンコーダ１０の出力信号とすることができる。

以上説明したように、本第１の実施形態に係るエンコーダ１０では、第１インデックススケール２０で生成された＋１次回折光及び−１次回折光は、相互に逆位相の変調信号Ｖ（ｔ）、及び変調信号Ｖ’（ｔ）に基づいて、それぞれの光路上に配置された電気光学素子１６Ａ,１６Ｂによって周期的に偏向されることにより変調される。そして、受光素子２６へ干渉光が入射することによって得られる光電変換信号Ｉ（ｔ）に基づいて移動体の位置情報が検出される。したがって、＋１次回折光と−１次回折光とを、機械的に変調するスキャン機構を用いることなく変調することが可能となるため、装置の小型化を図ることが可能となる。また、電気光学素子１６Ａ,１６Ｂそれぞれは単体で回折光を偏向することが可能であるため、スキャン機構の構造を単純化することができ、装置の低コスト化を図ることが可能となる。

また、＋１次回折光と−１次回折光とは、相互に逆位相となるように変調されるため、＋１次回折光及び−１次回折光のうちのいずれか一方を変調する場合に比べて変調度を大きくすることが可能となる。

また、本第１の実施形態に係るエンコーダ１０では、変調信号Ｖ（ｔ）の位相を位相シフト回路３２を介してπだけシフトしているが、シフト量θ_Ｓはπには限られない。要は、変調信号Ｖ（ｔ）と変調信号Ｖ’（ｔ）に位相差があればよく、例えば、シフト量θ_Ｓを適宜変更することで、変調度の調整も可能となる。

また、本第１の実施形態に係るエンコーダ１０では、位相シフト回路３２を用いて、変調信号Ｖ（ｔ）の位相をシフトしているが、シフト量θ_Ｓをπとして、変調信号Ｖ（ｔ）と逆位相の変調信号を生成する場合には、位相シフト回路３２に代えて、変調信号Ｖ（ｔ）の位相を反転する反転回路などを用いることとしてもよい。

《第２の実施形態》
次に、本発明の第２の実施形態について図２に基づいて説明する。図２には、第２の実施形態に係るエンコーダ１０’の概略的な構成が示されている。このエンコーダ１０’は、１つの電気光学素子１６を用いて変調した照明光を、偏光ビームスプリッタ２１でＳ偏光成分とＰ偏光成分とに分離し、このＳ偏光成分とＰ偏光成分との干渉を利用して、移動スケール２４の位置情報を検出する点で、第１の実施形態に係るエンコーダ１０と相違している。したがって、重複記載を回避する観点から、以下の記載では第１の実施形態と同一又は同等の構成部分には、同一の符号を用いるとともに、その説明を簡略又は省略するものとする。

エンコーダ１０’は、図２に示されるように、光源１２、電気光学素子１６、偏光ビームスプリッタ２１、λ／２板２３、インデックススケール２２、移動スケール２４、受光素子２６、及び変調信号生成回路３１などを備えている。

光源１２は、均一な偏光特性を持った照明光（例えば円偏光）を、図２に示されるようにＸ軸に対して−４５度の方向へ射出する。

電気光学素子１６は、光源１２から射出された照明光の光路上に配置されている。この電気光学素子１６は、印加される電界の方向と、電界の影響を受ける照明光の偏光成分に依存性のあるＥＯＭからなり、変調信号生成回路３１によって変調信号Ｖ（ｔ）が印加されることで、主として照明光のＳ偏光成分Ｌ_ＳのみがＹ軸方向（図２における矢印ａ_Ｓに示される方向）に周期的に偏向されるように調整されている。なお、ＥＯＭの依存性により、Ｐ偏光成分Ｌ_ＰがＸ軸方向（図２における矢印ａ_Ｐに示される方向）へ偏向されることもあるが、ここでは、Ｓ偏光成分Ｌ_Ｓの偏向振幅は、Ｐ偏光成分Ｌ_Ｐの偏向振幅に比べて十分大きいものとする。

偏光ビームスプリッタ２１は、電気光学素子１６を経由した照明光の光路上に配置され、入射する照明光のうちのＰ偏光成分Ｌ_Ｐを透過して、Ｓ偏光成分Ｌ_Ｓを分岐する。

λ／２板２３は、照明光のＳ偏光成分Ｌ_Ｓの光路上に配置され、偏光ビームスプリッタ２１で分岐されたＳ偏光成分Ｌ_Ｓの偏向方向をＸ軸方向に変換する。

上記のように構成されたエンコーダ１０’では、電気光学素子１６によって変調された照明光のＳ偏光成分Ｌ_ＳとＰ偏光成分Ｌ_Ｐとが偏光ビームスプリッタ２１で分離され、それぞれインデックススケール２２の上面へ入射角４５度で入射する。そして、Ｐ偏光成分Ｌ_ＰとＳ偏光成分Ｌ_Ｓは、インデックススケール２２で回折され、Ｓ偏光成分Ｌ_Ｓの１次回折光とＰ偏光成分Ｌ_Ｐの−１次回折光は、移動スケール２４上へ少なくとも一部が重なりあった状態で入射し、移動スケール２４を介して受光素子２６へ相互に干渉しつつ入射する。

移動スケール２４へ入射するＳ偏光成分Ｌ_ＳとＰ偏光成分Ｌ_Ｐそれぞれの偏向方向はＸ軸方向に揃えられ、Ｓ偏光成分Ｌ_Ｓの偏向振幅がＰ偏光成分Ｌ_Ｐの偏向振幅よりも大きくなっている。したがって、受光素子２６へ入射するＳ偏光成分Ｌ_ＳとＰ偏光成分Ｌ_Ｐとの干渉により形成される干渉縞は、変調信号Ｖ（ｔ）の角周波数ωに比例してＸ軸に沿って移動する。この結果、受光素子２６でＳ偏光成分Ｌ_ＳとＰ偏光成分Ｌ_Ｐとの干渉光を受光することにより得られる光電変換信号Ｉ（ｔ）は、移動スケール２４の位置情報を変調信号Ｖ（ｔ）で変調したものとなる。したがって、この光電変換信号Ｉ（ｔ）に対して、例えば、不図示の受光回路などを用いて、米国特許第６,６３９,６９６号明細書に記載の処理を行うことで、移動スケール２４の位置情報及び移動情報を算出することができ、これをエンコーダ１０’の出力信号とすることができる

以上説明したように、本第２の実施形態に係るエンコーダ１０’では、光源１２から射出された照明光は、電気光学素子１６を透過することで、そのＳ偏光成分Ｌ_Ｓが変調信号Ｖ（ｔ）に基づいてＹ軸方向に周期的に偏向され、偏光ビームスプリッタ２１へ入射することで、Ｓ偏光成分Ｌ_ＳとＰ偏光成分Ｌ_Ｐとに分離される。そして、受光素子２６へ照明光のＳ偏光成分Ｌ_ＳとＰ偏光成分Ｌ_Ｐとが干渉しつつ入射することで得られる光電変換信号Ｉ（ｔ）に基づいて、移動体の位置情報が検出される。したがって、照明光を、機械的に変調するスキャン機構を用いることなく変調することが可能となるため、装置の小型化を図ることが可能となる。また、電気光学素子１６は単体で回折光を偏向することが可能であるため、スキャン機構の構造を単純化することができ、装置の低コスト化を図ることが可能となる。また、第１の実施形態に係るエンコーダ１０と異なり、照明光の変調に用いる電気光学素子は１つでよいため、更なる装置の小型化、及び低コスト化を実現することが可能となる。

なお、本第２の実施形態に係るエンコーダ１０’では、Ｓ偏光成分Ｌ_ＳをＹ軸方向へ周期的に偏向したが、これに限らず、例えばＰ偏光成分Ｌ_ＰをＸ軸方向へ周期的に偏向してもよい。要は、照明光のＳ偏光成分Ｌ_Ｓ及びＰ偏光成分Ｌ_Ｐのうちのいずれか一方の偏向振幅が、他方の偏向振幅よりも大きくなるようにＸ軸に沿って周期的に偏向された状態で、移動スケール２４へ入射する構成であればよい。

また、本第２の実施形態に係るエンコーダ１０’では、光源１２から射出される照明光が円偏光である場合について説明したが、これに限らず、照明光は、偏光ビームスプリッタ２１の反射面に対して、振動方向が４５度の角度をなす直線偏光や楕円偏光であってもよい。これにより、偏光ビームスプリッタ２１から射出されるＳ偏光成分Ｌ_ＳとＰ偏光成分Ｌ_Ｐが等しい割合となる。また、Ｓ偏光成分Ｌ_ＳとＰ偏光成分Ｌ_Ｐは厳密に等しい割合である必要はなく、Ｓ偏光成分Ｌ_ＳとＰ偏光成分Ｌ_Ｐとが干渉することによって干渉縞が観測できる程度の割合であればよい。

なお、上記各実施形態では、移動スケール２４上へ照明光を入射させる際に、インデックススケール２２を用いたが、これに限らず、インデックススケール２２の代わりに、反射ミラーなどを用いてもよい。

また、上記各実施形態では、照明光をＥＯＭからなる電気光学素子を用いて変調したが、これに限らず、電気光学素子に代えて、若しくは電気光学素子とともに、例えば、ＡＯＭ（Acousto-Optic Modulator）などからなる音響光学素子を用いてもよい。

また、上記各実施形態では、移動スケール２４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２４以外の部分が移動する場合についても本発明を採用することができる。要は、移動スケール２４と他の光学部材とが相対的に移動する構成であればよい。

また、上記各実施形態では、インデックススケール２２と移動スケール２４が位相格子を有する場合について説明したが、これに限らず、振幅型の回折格子（明暗型の回折格子）を採用してもよい。また、振幅型の回折格子と位相格子とを混在させるようにしてもよい。

また、上記各実施形態では、±１次回折光を計測光として用いたが、本発明はこれには限られない。さらに高次の回折光の干渉光を計測光として用いてもよいし、０次とｎ次（又は−ｎ次）、＋ｎ次と＋（ｍ＋ｎ）次というように異なる次数の回折光同士の干渉光を計測光として用いてもよい。

また、上記各実施形態に係るエンコーダ１０,１０’は、移動体の一軸方向の位置情報を検出するリニアエンコーダであったが、回転体の回転量を検出するロータリーエンコーダにも本発明を適用することができる。

以上説明したように、本発明のエンコーダは、移動体の位置情報を光学的に検出するのに適している。

本発明の第１の実施形態に係るエンコーダの構成を概略的に示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るエンコーダの構成を概略的に示す図である。

符号の説明

１０,１０’…エンコーダ、１２…光源、１６,１６Ａ,１６Ｂ…電気光学素子、１８…コリメータレンズ、２０…第１インデックススケール、２１…偏光ビームスプリッタ、２２…第２インデックススケール、２３…λ／２板、２４…移動スケール、２６…受光素子、３１…変調信号生成回路、３２…位相シフト回路。

Claims (6)

1. 変調信号に基づいて変調された照明光の干渉を利用して、移動体の位置情報を検出するエンコーダであって、
   前記照明光を回折して、第１回折光と第２回折光を生成する回折部材と；
   前記移動体に固定され、前記移動体の移動方向に配列されたパターンを有するスケールと；
   前記第１回折光の光路上に配置され、前記第１回折光を前記変調信号に基づいて、前記パターンの配列方向へ周期的に偏向する第１電気光学素子と；
   前記変調信号の位相をシフトする位相シフト回路と；
   前記第２回折光の光路上に配置され、前記第２回折光を、前記位相シフト回路により位相がシフトされた前記変調信号に基づいて、前記パターンの配列方向へ周期的に偏向する第２電気光学素子と；を備えるエンコーダ。
2. 前記位相シフト回路は、前記変調信号の位相をほぼ１８０度反転させることを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ。
3. 変調信号に基づいて変調された照明光の干渉を利用して、移動体の位置情報を検出するエンコーダであって、
   前記変調信号に基づいて前記照明光に含まれるＳ偏光成分又はＰ偏光成分を周期的に偏向する電気光学素子と；
   前記電気光学素子を透過した前記照明光の前記Ｓ偏光成分と前記Ｐ偏光成分を分離する分離光学系と；
   前記移動体に固定され、前記移動体の移動方向に配列されたパターンを有するすスケールと；
   前記照明光の前記Ｓ偏光成分と前記Ｐ偏光成分とを前記スケールに照射して、前記パターンの配列方向に振動する干渉光を生成する導光光学系と；を備えるエンコーダ。
4. 前記導光光学系は、Ｓ偏光成分又は前記Ｐ偏光成分の偏向方向を変えて、前記Ｓ偏光成分と前記Ｐ偏光成分の偏向方向を揃える位相板を備えることを特徴とする請求項３に記載のエンコーダ。
5. 前記照明光は円偏光であることを特徴とする請求項３又は４に記載のエンコーダ。
6. 前記照明光は、前記分離光学系に対して４５度の角度を成す直線偏光又は楕円偏光であることを特徴とする請求項３又は４に記載のエンコーダ。

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