JP2013170852A - 光電式エンコーダ - Google Patents

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Abstract

【課題】温度及び湿度の変化による測定精度の劣化を抑制した光電式エンコーダを提供する。
【解決手段】第１直線偏光の第１の照射光及び第２の照射光を照射する照射部と、第１の照射光を回折させて第１直線偏光の第１の回折光を生成するとともに、第２の照射光を回折させて第１直線偏光の第２の回折光を生成するスケールと、第１の回折光を第１直線偏光と直交する第２直線偏光の第３の回折光に変換し、第２の回折光と第３の回折光を合成して第１の合成光及び第２の合成光を生成し、第１の合成光を円偏光の第３の合成光に変換する偏光部と、第２の合成光及び第３の合成光をそれぞれ受光する受光部とを備える。スケールは、格子形状に加工された表面を持つガラスを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、リニアエンコーダ等に使用される光電式エンコーダに関する。
従来、直線変位などの精密な測定には、光電式エンコーダが利用されている。そして、光電式エンコーダとして、スケールにて回折された２光線の受光量を検出する２相検波方式が広く知られている（特許文献１の図５参照）。しかしながら、スケールは一般に乳剤により構成される。このため、従来、温度及び湿度の変化によってスケールの光学的特性が変化し、光電式エンコーダの測定精度を劣化させる問題がある。
特開２００３−２４７８６７号公報
本発明は、このような問題点に鑑みされたもので、温度及び湿度の変化による測定精度の劣化を抑制した光電式エンコーダを提供することを目的とする。
本発明に係る光電式エンコーダは、第１直線偏光の第１の照射光及び第２の照射光を照射する照射部と、前記第１の照射光を回折させて前記第１直線偏光の第１の回折光を生成するとともに、前記第２の照射光を回折させて前記第１直線偏光の第２の回折光を生成するスケールと、前記第１の回折光を前記第１直線偏光と直交する第２直線偏光の第３の回折光に変換し、前記第２の回折光と前記第３の回折光を合成して第１の合成光及び第２の合成光を生成し、前記第１の合成光を円偏光の第３の合成光に変換する偏光部と、前記第２の合成光及び前記第３の合成光をそれぞれ受光する受光部とを備え、前記スケールが、格子形状に加工された表面を持つガラスを備えることを特徴とする。
この発明によれば、温度及び湿度の変化による測定精度の劣化を抑制した光電式エンコーダを提供できる。
第１の実施の形態に係る光電式エンコーダを示す概略図である。 第１の実施の形態にスケール２０を示す断面図である。 第２の実施の形態に係る偏光部３０ａを示す概略図である。 第３の実施の形態に係る偏光部３０ｂを示す概略図である。 第４の実施の形態にスケール２０ａを示す断面図である。 第５の実施の形態にスケール２０ｂを示す断面図である。 第６の実施の形態に係る遮光部５０を示す概略図である。 第７の実施の形態に係る受光部６０を示す概略図である。 第８の実施の形態にスケール２０ｃを示す断面図である。
次に本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
［第１の実施の形態］
図１は本実施の形態に係る光電式エンコーダを示す概略図である。光電式エンコーダは、図１に示すように、照射部１０、スケール２０、偏光部３０、及び受光部４０を有する。この光電式エンコーダにおいては、照射部１０から照射された光がスケール２０及び偏光部３０を介して受光部４０に受光される。そして、スケール２０に対して、照射部１０、偏光部３０及び受光部４０は測定軸方向（スケール２０の長手方向）に相対移動し、受光部４０の受光量の変化に基づきそれらの移動量が求められる。
照射部１０は、ｓ偏光の照射光Ｌ１ａ、Ｌ１ｂを照射する。このような照射部１０は、図１に示すように、光源１１、無偏光ビームスプリッタ１２、及びミラー１３ａ、１３ｂを有する。光源１１は駆動電流に応じて照射光Ｌ０を無偏光ビームスプリッタ１２に照射する。この実施の形態において、照射光Ｌ０の波長は６５５ｎｍに設定される。無偏光ビームスプリッタ１２は照射光Ｌ０を照射光Ｌ１ａ、Ｌ１ｂに分光して、それぞれの照射光Ｌ１ａ、Ｌ１ｂをミラー１３ａ、１３ｂに照射する。なお、この実施形態では、光源１１からの光のうち、ｓ偏光のみ（又はｐ偏光のみ）を測定に利用するので、ｓ偏光（又はｐ偏光）の分光比を一定にするため無偏光ビームスプリッタ１２を利用する。ミラー１３ａ、１３ｂは各々照射光Ｌ１ａ、Ｌ１ｂを反射させてスケール２０に照射する。ミラー１３ａ、１３ｂは測定軸と直交する軸を中心に対称に配置される。
スケール２０は、照射光Ｌ１ａを透過及び回折させてｓ偏光の回折光Ｌ２ａを生成するとともに、照射光Ｌ１ｂを透過及び回折させてｓ偏光の回折光Ｌ２ｂを生成する。ここで、回折光Ｌ２ａ、Ｌ２ｂは、照射光Ｌ１ａ、Ｌ１ｂの一次回折光である。スケール２０としては、図２に示すように、ガラス基材を直接エッチング加工することで表面に回折格子２１を形成したものを使用する。ガラス素材のエッチング加工により形成された回折格子２１は、乳剤による回折格子と比較して、温度及び湿度の変化により光学的特性を変化させないと言う利点がある。しかし、このような構造のスケール２０では、ｐ偏光の一次回折効率がｓ偏光の一次回折効率よりも極端に小さいという難点がある。
具体的に、スケール２０の回折格子２１が０．２μｍの幅、深さ７００ｎｍの凹凸からなるとし、スケール２０への照射光Ｌ１ａ、Ｌ１ｂの波長が６５５ｎｍ、入射角が５４．５°に設定されたとすると、スケール２０におけるｐ偏光の一次回折効率はｓ偏光の一次回折効率の１／１０程度となる。なお、スケール２０の回折格子２１は、０．２μｍの幅、深さ６５０〜７５０ｎｍの凹凸とすることが考えられる。この場合、スケール２０への照射光Ｌ１ａ、Ｌ１ｂの入射角は４５〜６５°に設定され、この条件においては、スケール２０におけるｐ偏光の一次回折効率はｓ偏光の一次回折効率の１／２０〜１／６程度となる。
偏光部３０は、ｓ偏光と直交するｐ偏光の回折光Ｌ２ｃに回折光Ｌ２ａを変換する。また、偏光部３０は、回折光Ｌ２ｂと回折光Ｌ２ｃを合成して合成光Ｌ３ａ、Ｌ３ｂを生成する。さらに、偏光部３０は、合成光Ｌ３ａを円偏光の合成光Ｌ３ｃに変換する。このような偏光部３０は、図１に示すように、ミラー３１ａ、３１ｂ、１／２波長板３２、無偏光ビームスプリッタ３３、１／４波長板３４、及び偏光板３５ａ、３５ｂにより構成することができる。
ミラー３１ａは回折光Ｌ２ａを反射させ、ミラー３１ｂは回折光Ｌ２ｂを反射させる。ミラー３１ａ、３１ｂは測定軸と直交する軸を中心に対称に配置される。１／２波長板３２は回折光Ｌ２ａの偏光方向を９０°回転させて回折光Ｌ２ａをｐ偏光の回折光Ｌ２ｃに変換する。無偏光ビームスプリッタ３３は、回折光Ｌ２ｂと回折光Ｌ２ｃを合成して合成光Ｌ３ａ、Ｌ３ｂを生成する。１／４波長板３４は、合成光Ｌ３ａの両偏光に９０°の位相差を付与して合成光Ｌ３ａを円偏光の合成光Ｌ３ｃに変換する。偏光板３５ａ、３５ｂは、各々、合成光Ｌ３ｃ、Ｌ３ｂに対して４５°の光軸で配置され、両偏光を干渉させる。両干渉光は受光部４０にて受光される。
受光部４０は、図１に示すように、Ａ相受光部４１ａ、Ｂ相受光部４１ｂを有する。Ａ相受光部４１ａ及びＢ相受光部４１は、各々、９０°位相が異なる合成光Ｌ３ｃ、Ｌ３ｂを受光する。これら合成光Ｌ３ｂ、Ｌ３ｃを受光量に基づき、スケール２０に対する受光部４０の移動方向及び移動量が検出される。
以上、第１の実施の形態によれば、スケール２０の回折格子２１は、乳剤により構成されておらず、回折格子２１の形状に加工された表面を持つガラス基材により構成される。また、ガラスは乳剤と比較して、温度及び湿度の変化により光学的特性を変化させない。したがって、第１の実施の形態に係る光電式エンコーダは、温度及び湿度の変化による測定精度の劣化を抑制できる。また、第１の実施の形態に係るスケール２０において、ｐ偏光よりも一次回折効率が高いｓ偏光の一次回折光のみを使用しているので、受光部４０において受光する合成光Ｌ３ｂ、Ｌ３ｃの光量を高くできる。
［第２の実施の形態］
次に、図３を参照して、第２の実施の形態に係る光電式エンコーダについて説明する。上述した第１の実施の形態において、１／２波長板３２の特性にはバラツキがある。このバラツキによって、偏光方向の回転角にずれが発生すると、受光部４０で受光する合成光Ｌ３ｂ、Ｌ３ｃの間には位相差が生じる。そこで、合成光Ｌ３ｂ、Ｌ３ｃの間の位相差を小さくするため、第２の実施の形態に係る偏光部３０ａは、回折光Ｌ２ｂと回折光Ｌ２ｃとの間の光路差を小さくするように構成される。この点のみ第２の実施の形態は第１の実施の形態と異なる。
第２の実施の形態における偏光部３０ａにおいて、ミラー３１ａ、３１ｂの測定軸に対する角度は調整可能に構成される。このミラー３１ａ、３１ｂのスケール２０に対する角度は、回折光Ｌ２ｂと回折光Ｌ２ｃとの間の光路差を小さくするように調整される。
［第３の実施の形態］
次に、図４を参照して、第３の実施の形態に係る光電式エンコーダについて説明する。第３の実施の形態に係る偏光部３０ｂは、第２の実施の形態と同様に回折光Ｌ２ｂと回折光Ｌ２ｃとの間の光路差を小さくするように構成される。
偏光部３０ｂにおいて、無偏光ビームスプリッタ３３のスケール２０に対する角度及び位置は調整可能に構成される。この無偏光ビームスプリッタ３３のスケール２０に対する角度及び位置は、回折光Ｌ２ｂと回折光Ｌ２ｃとの間の光路差を小さくするように調整される。
［第４の実施の形態］
次に、図５を参照して、第４の実施の形態に係る光電式エンコーダについて説明する。第４の実施の形態は、スケール２０ａのみ第１〜第３の実施の形態と異なる。図５に示すように、スケール２０ａは、ガラス２１の表面を覆い且つ光を透過させる保護層２２を有する。この保護層２２により、ガラス２１の傷及び汚れが抑制される。例えば、保護層２２はガラス又はプラスチックにより構成される。
［第５の実施の形態］
次に、図６を参照して、第５の実施の形態に係る光電式エンコーダについて説明する。第５の実施の形態は、スケール２０ｂのみ第１〜第４の実施の形態と異なる。図６に示すように、スケール２０ｂは、ガラス２１の裏面に設けられ且つ光の反射を抑制する反射抑制層２３を有する。この反射抑制層２３により、一次回折光の回折効率は向上するため、回折光Ｌ２ａ、Ｌ２ｂの強度は第１の実施の形態よりも大きくできる。例えば、反射抑制層２３はＡＲコートにより構成される。
［第６の実施の形態］
次に、図７を参照して、第６の実施の形態に係る光電式エンコーダについて説明する。ここで、受光部４０にて受光される検出対象の合成光Ｌ３ｂ、Ｌ３ｃ以外の光は、ノイズとなり、光電式エンコーダの測定精度を劣化させる。そこで、第６の実施の形態は、図７に示すように第１の実施の形態の構成に加えて遮光部５０を有する。遮光部５０は、スケール２０と偏光部３０との間に設けられ、スケール２０を透過した照射光Ｌ１ａ、Ｌ１ｂ（０次回折光）を遮光する。これにより、受光部４０での照射光Ｌ１ａ、Ｌ１ｂ（０次回折光）の受光量は抑制されるため、第６の実施の形態は第１の実施の形態よりも測定精度を向上できる。
［第７の実施の形態］
次に、図８を参照して、第７の実施の形態に係る光電式エンコーダについて説明する。第７の実施の形態は、図８に示すように第１の実施の形態の構成に加え、受光部６０を有する。受光部６０は、回折光Ｌ１ａを受光して受光量Ｓ１ａを計測し、回折光Ｌ１ｂを受光して受光量Ｓ１ｂを計測する。この受光部６０に対応して、偏光部３０ｃは、図８に示すように、ミラー３１ａ、３１ｂの代わりに無偏光ビームスプリッタ３６ａ、３６ｂを有する。また、受光部６０は、出力モニタ受光部６１ａ、６１ｂを有する。
無偏光ビームスプリッタ３６ａは回折光Ｌ２ａの一部を出力モニタ受光部６１ａに照射し、回折光Ｌ２ａの残りを無偏光ビームスプリッタ３３に照射する。無偏光ビームスプリッタ３６ｂは回折光Ｌ２ｂの一部を出力モニタ受光部６１ｂに照射し、回折光Ｌ２ｂの残りを無偏光ビームスプリッタ３３に照射する。
出力モニタ受光部６１ａは回折光Ｌ２ａを受光して受光量Ｓ１ａを計測し、出力モニタ受光部６１ｂは回折光Ｌ２ｂを受光して受光量Ｓ１ｂを計測する。これら受光量Ｓ１ａ、Ｓ１ｂに基づき光源１１の駆動電流は制御され、照明光Ｌ０（Ｌ１ａ、Ｌ１ｂ）の光量は一定に制御される。
［第８の実施の形態］
次に、図９を参照して、第８の実施の形態に係る光電式エンコーダについて説明する。第８の実施の形態は、スケール２０ｃのみ第１〜第７の実施の形態と異なる。上記実施の形態に係るスケール２０、２０ａ、２０ｂは光を透過させるが、第８の実施の形態に係るスケール２０ｃは光を反射させる。
図９に示すように、スケール２０ｃは、ガラス２１の裏面に設けられ且つ光を反射させる反射層２４を有する。ガラス２１の表面から入射した照明光Ｌ１ａ、Ｌ１ｂは、ガラス２１によって回折され、反射層２４によって反射されて、回折光Ｌ２ａ、Ｌ２ｂとなる。反射層２４は例えば金属により構成される。この場合、第１〜第７の実施形態で示した透過型光電式エンコーダとは異なり、反射型光電式エンコーダを構成することができる。
以上、発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、追加等が可能である。例えば、本発明は、スケール２０に２つのｐ偏光の照射光を照射する構成であってもよい。この場合、スケール２０におけるｓ偏光の一次回折効率はｐ偏光の一次回折効率よりも小ければよい。
１０…照射部、 ２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ…スケール、 ３０、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ…偏光部、 ４０、６０…受光部、 ５０…遮光部。

Claims (9)

  1. 第１直線偏光の第１の照射光及び第２の照射光を照射する照射部と、
    前記第１の照射光を回折させて前記第１直線偏光の第１の回折光を生成するとともに、前記第２の照射光を回折させて前記第１直線偏光の第２の回折光を生成するスケールと、
    前記第１の回折光を前記第１直線偏光と直交する第２直線偏光の第３の回折光に変換し、前記第２の回折光と前記第３の回折光を合成して第１の合成光及び第２の合成光を生成し、前記第１の合成光を円偏光の第３の合成光に変換する偏光部と、
    前記第２の合成光及び前記第３の合成光をそれぞれ受光する受光部とを備え、
    前記スケールは、格子形状に加工された表面を持つガラスを備える
    ことを特徴とする光電式エンコーダ。
  2. 前記照射部は、照射光を照射する光源と、
    前記光源から照射された照射光を第１直線偏光を所定比率で保持した状態で前記第１の照射光と前記第２の照射光とに分割する第１の無偏光ビームススプリッタと、
    前記第１の無偏光ビームスプリッタで分割された前記第１の照射光と前記第２の照射光とをそれぞれ反射する第１ミラー及び第２ミラーと
    を備えることを特徴とする請求項１記載の光電式エンコーダ。
  3. 前記偏光部は、
    前記第１の回折光を反射させる第３ミラーと、
    前記第２の回折光を反射させる第４ミラーと、
    前記第３ミラーを反射した前記第１の回折光の偏光面を回転させて第２直線偏光の第３の回折光に変換する１／２波長板と
    を備えることを特徴とする請求項１又は２記載の光電式エンコーダ。
  4. 前記スケールに対する前記第３ミラーと前記第４ミラーとの角度は、前記第２の回折光と前記第３の回折光との間の光路差を小さくするように調整される
    ことを特徴とする請求項３記載の光電式エンコーダ。
  5. 前記偏光部は、前記第２の回折光と前記第３の回折光を合成して第１の合成光及び第２の合成光を生成する第２の無偏光ビームスプリッタを備え、
    前記スケールに対する前記第２の無偏光ビームスプリッタの角度及び位置は、前記第２の回折光と前記第３の回折光との間の光路差を小さくするように調整される
    ことを特徴とする請求項１乃至３記載の光電式エンコーダ。
  6. 前記スケールは、前記ガラスの表面を覆い且つ光を透過させる保護層を更に備える
    ことを特徴とする請求項１乃至５記載の光電式エンコーダ。
  7. 前記スケールは、前記ガラスの裏面に設けられ且つ光の反射を抑制する反射抑制層を更に備える
    ことを特徴とする請求項１乃至６記載の光電式エンコーダ。
  8. 前記スケールと前記偏光部との間に設けられ、前記スケールを透過した前記第１の照射光及び前記第２の照射光を遮光する遮光部を更に備える
    ことを特徴とする請求項１乃至７記載の光電式エンコーダ。
  9. 前記第１の回折光を受光して第１の受光量を計測し、前記第２の回折光を受光して第２の受光量を計測するモニタ受光部を更に備え、
    前記照射部は、前記モニタ受光部で計測された前記第１の受光量及び前記第２の受光量に基づき前記第１の照明光及び前記第２の照明光の光量を一定の値に調整する
    ことを特徴とする請求項１乃至８記載の光電式エンコーダ。
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