JP2018132408A - 光電式エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】 大型化を抑制しつつ、±ｓ次回折光の干渉縞から不要回折光の影響を抑制することができる光電式エンコーダを提供する。
【解決手段】 光電式エンコーダは、第１軸に長さ方向を有する複数の格子が前記第１軸と直交する第２軸に沿って配列されたスケールと、前記スケールの入射面に垂直な第３軸に対して前記第１軸方向に傾斜する光軸を有し、前記スケールに光を入射する光源と、前記光源と前記スケールとの間に配置され、前記光源の光軸方向の厚みが前記第１軸方向において変化し、かつ、前記第１軸と前記第３軸とがなす平面での断面が前記第２軸の各位置で同じ形状を有している透明媒体と、前記スケールの前記光源と反対側に配置され、前記第１軸に長さ方向を有する複数のフォトダイオードが前記第２軸に沿って配列された受光素子と、を備えることを特徴とする。
【選択図】 図３

Description

本件は、光電式エンコーダに関する。

スケールからの＋ｓ次回折光および−ｓ次回折光の光路を検出器内部のインデックス格子によって収束し、干渉信号を生成するエンコーダが開示されている。このようなエンコーダにおいて、±ｓ次回折光に対して±ｓ次回折光以外の不要回折光が空間的に混入すると、干渉縞のプロファイルが乱れ、測定誤差が生じる。そこで、検出器中で不要回折光を物理的に遮蔽する技術が開示されている（例えば特許文献１，２）。

特開平４−１８４２１８号公報 特開２００４−０６９７０２号公報

しかしながら、この技術では、不要回折光を遮蔽するために、スケールとインデックス格子との間隔を広げて信号回折光と不要回折光とを空間的に分離する必要がある。この場合、スケールとインデックス格子との間隔を広げた分、検出器が大型化するおそれがある。

１つの側面では、本発明は、大型化を抑制しつつ、±ｓ次回折光の干渉縞から不要回折光の影響を抑制することができる光電式エンコーダを提供することを目的とする。

１つの態様では、本発明に係る光電式エンコーダは、第１軸に長さ方向を有する複数の格子が前記第１軸と直交する第２軸に沿って配列されたスケールと、前記スケールの入射面に垂直な第３軸に対して前記第１軸方向に傾斜する光軸を有し、前記スケールに光を入射する光源と、前記光源と前記スケールとの間に配置され、前記光源の光軸方向の厚みが前記第１軸方向において変化し、かつ、前記第１軸と前記第３軸とがなす平面での断面が前記第２軸の各位置で同じ形状を有している透明媒体と、前記スケールの前記光源と反対側に配置され、前記第１軸に長さ方向を有する複数のフォトダイオードが前記第２軸に沿って配列された受光素子と、を備えることを特徴とする。

上記光電式エンコーダにおいて、前記光源の光軸は、前記第３軸に対して０．１度以上で、前記第１軸方向に傾斜していてもよい。

前記透明媒体は、シリンドリカルレンズとしてもよい。

大型化を抑制しつつ、±ｓ次回折光の干渉縞から不要回折光の影響を抑制することができる光電式エンコーダを提供することができる。

比較形態に係る光電式エンコーダの概略斜視図である。 スケールを透過する光を例示する図である。 （ａ）は実施形態に係る光電式エンコーダの斜視図であり、（ｂ）は波面収差について例示する図である。 （ａ）および（ｂ）はフォトダイオードの配列と干渉縞との関係を例示する図である。 （ａ）〜（ｃ）は透明媒体を例示する図である。 （ａ）〜（ｈ）はシミュレーションによって得られる干渉縞を例示する図である。

（比較形態）
実施形態の説明に先立って、比較形態について説明する。図１は、比較形態に係る光電式エンコーダ２００の概略斜視図である。図１で例示するように、光電式エンコーダ２００は、コリメート光源１０、スケール２０、および受光素子３０を備える。以下の説明において、スケール２０に形成された各格子２１の配列方向をＸ軸とする。Ｘ軸と直交し、スケール２０の各格子２１が延びる方向をＹ軸とする。ＸＹ平面は、スケール２０の入射面がなす面と平行となる。Ｘ軸およびＹ軸と直交する方向をＺ軸とする。比較形態においては、コリメート光源１０からスケール２０に入射するコリメート光の光軸方向がＺ軸と一致する。

コリメート光源１０は、コリメート光を出射する光源であれば特に限定されるものではない。例えば、コリメート光源１０は、発光ダイオード等の発光素子と、コリメートレンズ、リフレクタ等のコリメート光生成手段と、を備える。リフレクタは、例えば、部分放物面の反射面を備えるリフレクタである。

スケール２０は、Ｘ軸方向に沿って所定のスケール周期で配列された複数の格子２１を備えている。すなわち、スケール２０は、Ｘ軸方向に格子の配列方向を有する。したがって、スケール２０の測定軸（測長方向）は、Ｘ軸である。各格子２１は、Ｙ軸方向に延びている。すなわち、各格子２１は、Ｙ軸方向に長さ方向を有する。スケール２０は、コリメート光源１０および受光素子３０に対して、Ｘ軸方向に相対的に移動可能となっている。

受光素子３０は、スケール２０のコリメート光源１０と反対側に配置され、入射面に対して、Ｙ軸方向に長さ方向を有する複数のフォトダイオード３１が所定の周期でＸ軸方向に沿って配列された受光領域を有している。例えば、受光素子３０は、複数のフォトダイオード３１が配列されたフォトダイオードアレイである。受光素子３０は、複数のフォトダイオード３１の出力を用いて、スケール２０の格子２１に応じた周期的な明暗を検出する。それにより、スケール２０の相対的な位置変動を検出することができる。具体的には、複数のフォトダイオード３１が検出した受光強度に基づいて、位置変動の量を求めることができる。

図２で例示するように、スケール２０を透過する光は、信号回折光（±１次回折光）および不要回折光（０次回折光、±２次回折光、±３次回折光、…）に分離する。光電式エンコーダ２００においては、コリメート光源１０の光軸がスケール２０の入射面に対して垂直であることから、信号回折光（±１次回折光）および不要回折光（０次回折光、±２次回折光、±３次回折光、…）が、受光素子３０においてＸ軸方向に所定の間隔を空けて入射することになる。この場合、信号回折光の干渉縞に不要回折光の干渉縞が重なりやすくなるため、信号回折光と不要回折光とが互いに干渉しやすくなる。したがって、比較形態に係る光電式エンコーダ２００においては、高い測定精度が得られないおそれがある。

そこで、実施形態に係る光電式エンコーダ１００においては、コニカル回折を利用することで、±ｓ次回折光を空間的に分離する。以下、詳細について説明する。

（実施形態）
図３（ａ）は、実施形態に係る光電式エンコーダ１００の斜視図である。図３（ａ）で例示するように、光電式エンコーダ１００においては、コリメート光源１０とスケール２０との間に、シリンドリカルレンズ４０が配置されている。図１の光電式エンコーダ２００と同じ構成については、同じ符号を付すことで説明を省略する。

本実施形態においては、コリメート光源１０の光軸をＺ軸に対してＹ軸方向に傾斜させる。これにより、スケール２０を透過した光を、コニカル回折させることができる。コニカル回折については、An EUV beamsplitter based on conical grazing incidence diffraction, Opt Express. 2012 Jan 16;20(2):1825-38などに開示されている。スケール２０の透過光をコニカル回折させることで、スケール２０の入射面と平行な面をなす受光素子３０において、回折光の次数が大きくなるにつれてＸ軸方向にオフセットするとともに、Ｙ軸方向にもオフセットする。

また、シリンドリカルレンズ４０は、円柱の側面の一部を切り出した形状を有している。シリンドリカルレンズ４０は、かまぼこ形状を有していてもよく、曲面の曲率半径が一定でなくてもよい。すなわち、シリンドリカルレンズ４０は、コリメート光源１０の光軸方向の厚みが、Ｙ軸方向において変化している。また、シリンドリカルレンズ４０は、Ｙ軸とＺ軸とがなす平面での断面が、Ｘ軸方向の各位置で同じ形状を有している。これにより、図３（ｂ）で例示するように、信号回折光および不要回折光に、測長方向（Ｘ軸）に対して垂直な方向（Ｙ軸）に沿った、非直線的な波面収差を得ることができる。

ここで、異なる次数の回折光の干渉作用について検討する。スケール２０から回折光をコニカル回折させた状態では、次数の異なる回折光は、測長方向（Ｘ軸）に対して垂直なＹ軸方向にオフセットする。この場合、測長方向（Ｘ軸）に対して垂直なＹ軸方向に沿った波面収差が回折光に存在すれば、測長方向（Ｘ軸）に平行な干渉縞を生成する効果が得られる。この効果は、１つの光波を横ずらししながら分割し、分割した光波を干渉させることによって波面収差を観測する「シヤリング干渉計」と同等の原理によって得られる。

また、次数の異なる回折光は、もともとＸ軸方向にも異なる角度を持って伝搬している。これらの回折光が重なり合う場合、Ｙ軸方向に平行な干渉縞が発生する。すなわち、「Ｘ軸方向に平行な干渉縞を生成する効果」と「Ｙ軸方向に平行な干渉縞を生成する効果」が複合することによって、Ｘ軸およびＹ軸に対して傾斜する斜め方向に干渉縞が生成されることになる。

次に、同じ次数の回折光に着目する。図３（ａ）で例示したように、同じ次数の回折光間では、次数の異なる回折光の場合とは違い、コニカル回折の状態であったとしてもＹ軸方向のオフセットは発生しない。したがって、同じ次数の回折光については、波面収差が存在したとしても「Ｘ軸方向に平行な干渉縞を生成する効果」が作用しないため、Ｙ軸方向に平行な干渉縞が生成されることになる。

次に、±１次光による干渉縞を信号として検出する場合について検討する。±１次光による干渉縞を信号として最も効率よく検出する場合、図４（ａ）で例示するように、フォトダイオード３１をＹ軸方向に平行に設置することで、フォトダイオード３１と±１次光による干渉縞５０とを最も効率よく重ね合わせることができる。この場合、図４（ｂ）で例示するように、次数の異なる回折光による干渉縞６０は、Ｘ軸およびＹ軸に対して傾斜する斜め方向に形成されていることから、各フォトダイオード３１が延びる方向とは平行にならない。結果的に、次数の異なる回折光による干渉信号の検出効率は低減する。これは、同じ次数の信号回折光（±１次回折光）を用いた測定精度の向上を意味する。

本実施形態によれば、コニカル回折によって次数の異なる回折光を測長方向とは異なる方向にオフセットさせることができる。さらに、測長方向に対して垂直なＹ軸方向に非直線的な波面収差を光源に与えることによって、次数の異なる回折光による不要な干渉信号を低減させることができる。それにより、信号回折光（±１次回折光）を用いた測定精度を向上させることができる。また、不要回折光の遮蔽機構を設けなくてもよいため、検出ヘッドの大型化や構造煩雑化を回避することができる。

なお、上記実施形態においては、図５（ａ）で例示するようなシリンドリカルレンズ４０を用いたが、それに限られない。コリメート光源１０の光軸方向の厚みがＹ軸方向の各位置において変化し、かつ、ＹＺ平面での断面がＸ軸方向の各位置で同じ形状を有している透明媒体（屈折率が１を上回る）であれば、シリンドリカルレンズ４０の代わりに用いることができる。

例えば、図５（ｂ）で例示するように、測長方向に対して垂直なＹ軸方向に放物線状に厚みが変化するガラス板を用いてもよい。または、図５（ｃ）で例示するように、測長方向に対して垂直なＹ軸方向において厚みがランダムに変化するガラス板を用いてもよい。なお、図５（ａ）〜図５（ｃ）の例では、曲面がコリメート光の入射側に設けられているが、出射側に設けられていてもよい。

なお、上記実施形態においては、コリメート光源１０の光軸をＺ軸からＹ軸方向に傾斜させているが、その傾斜角度は特に限定されるものではない。ただし、コリメート光源１０の光軸を、Ｚ軸からＹ軸方向に０．１度以上傾斜させ、かつ、スケール２０から受光素子３０に至るまでの全伝搬光路中において＋１次回折光と−１次回折光とがオーバーラップするような範囲内で傾斜させることが好ましい。なお、Ｚ軸に対するコリメート光源１０の傾斜角度に、Ｘ軸方向の成分が含まれていてもよい。

なお、上記実施形態において、スケール２０が、第１軸に長さ方向を有する複数の格子が前記第１軸と直交する第２軸に沿って配列されたスケールの一例である。コリメート光源１０が、前記スケールの入射面に垂直な第３軸に対して前記第１軸方向に傾斜する光軸を有し、前記スケールに光を入射する光源の一例である。シリンドリカルレンズ４０が、前記光源と前記スケールとの間に配置され、前記光源の光軸方向の厚みが前記第１軸方向において変化し、かつ、前記第１軸と前記第３軸とがなす平面での断面が前記第２軸の各位置で同じ形状を有している透明媒体の一例である。受光素子３０が、前記スケールの前記光源と反対側に配置され、前記第１軸に長さ方向を有する複数のフォトダイオードが前記第２軸に沿って配列された受光素子の一例である。Ｙ軸が第１軸に相当し、Ｘ軸が第２軸に相当し、Ｚ軸が第３軸に相当する。

（実施例）
上記実施形態に従って、コリメート光源１０からスケール２０にコリメート光を入射した場合に、受光素子３０の受光領域に干渉縞を生じさせるシミュレーションを行った。シリンドリカルレンズ４０の焦点距離Ｆを１００ｍｍとした。スケール２０の格子ピッチを１μｍとした。スケール２０と受光素子３０との距離を２ｍｍとした。受光素子３０受光領域のＹ軸方向の幅を０．２５ｍｍとした。

図６（ａ）は、＋１次回折光と−１次回折光との干渉縞を示している。同じ次数の回折光間では、Ｙ軸方向のオフセットは発生しない。したがって、図６（ａ）に示すように、波面収差が存在したとしても、Ｘ軸方向に平行な干渉縞を生成する効果が作用しないため、Ｙ軸方向に平行な干渉縞が生成される。なお、当該干渉縞には、スケール２０の格子ピッチの半分の０．５μｍ周期のフリンジが現れる。

図６（ｂ）は、０次回折光と＋１次回折光との干渉縞を示している。スケール２０から回折光をコニカル回折させた状態では次数の異なる回折光が測長方向（Ｘ軸）に対して垂直なＹ軸方向にオフセットするため、測長方向（Ｘ軸）に対して垂直なＹ軸方向に沿った波面収差が回折光に存在すれば、測長方向（Ｘ軸）に平行な干渉縞が生成される。また、次数の異なる回折光は、Ｘ軸方向にも異なる角度を持って伝搬しているため、Ｙ軸方向に平行な干渉縞を発生する。したがって、図６（ｂ）に示すように、０次回折光および＋１次回折光は、Ｘ軸およびＹ軸に対して傾斜する斜め方向に干渉縞を発生する。

図６（ｃ）は、０次回折光と−１次回折光との干渉縞を示している。図６（ｃ）に示すように、図６（ｂ）とはＹ軸に対称に逆側に傾斜する干渉縞が発生する。

図６（ｄ）は、図６（ａ）〜図６（ｃ）を重ね合わせることで得られる干渉縞を示している。図６（ｂ）の干渉縞と図６（ｃ）の干渉縞とは、互いに異なる方向に傾斜しているため、Ｙ軸方向において互いに強め合う箇所と互いに弱めあう箇所とが現れる。互いに弱めあう箇所がＹ軸方向の全体に現れることにはならないため、図６（ａ）の特定の干渉縞の全体が弱まることにはならない。したがって、図６（ａ）のように±１次回折光の干渉縞全体が得られるわけではないが、図６（ａ）と同じ周期（０．５μｍ）で受光強度が得られることになる。

（比較例）
比較例においては、シリンドリカルレンズ４０を用いなかった他は、実施例と同じ条件でシミュレーションを行った。

図６（ｅ）は、＋１次回折光と−１次回折光との干渉縞を示している。同じ次数の回折光間ではＹ軸方向のオフセットは発生しないため、Ｘ軸方向に平行な干渉縞を生成する効果が作用しない。それにより、Ｙ軸方向に平行な干渉縞が生成される。なお、実施例と同様に、当該干渉縞には、スケール２０の格子ピッチの半分の０．５μｍ周期のフリンジが現れる。

図６（ｆ）は、０次回折光と＋１次回折光との干渉縞を示している。スケール２０から回折光をコニカル回折させた状態では次数の異なる回折光が測長方向（Ｘ軸）に対して垂直なＹ軸方向にオフセットするが、測長方向（Ｘ軸）に対して垂直なＹ軸方向に沿った波面収差が回折光に存在しないため、測長方向（Ｘ軸）に平行な干渉縞が生成されない。一方、次数の異なる回折光は、Ｘ軸方向にも異なる角度を持って伝搬しているため、Ｙ軸方向に平行な干渉縞を発生する。したがって、図６（ｆ）に示すように、０次回折光および＋１次回折光は、Ｙ軸方向に平行な干渉縞を発生する。なお、当該干渉縞には、スケール２０の格子ピッチと同じ１μｍ周期のフリンジが現れる。これは、０次光および＋１次光の伝搬方向が成す角度が−１次光および＋１次光の伝搬方向が成す角度の半分であるため、０次光と＋１次光とによるフリンジ周期が＋１次光と−１次光とによるフリンジ周期の２倍となるからである。

図６（ｇ）は、０次回折光と−１次回折光との干渉縞を示している。図６（ｇ）に示すように、図６（ｆ）と同じ干渉縞が発生する。

図６（ｈ）は、図６（ｅ）〜図６（ｇ）を重ね合わせることで得られる干渉縞を示している。図６（ｆ）の干渉縞と図６（ｇ）の干渉縞とは、Ｘ軸方向に沿って、互いに強め合う箇所と互いに弱めあう箇所とが交互に現れることになる。また、図６（ｆ）および図６（ｇ）の周期が図６（ｅ）の周期の整数倍となっている。したがって、図６（ｆ）に示すように、図６（ｅ）の干渉縞において受光強度が得られない干渉縞が交互に現れる。したがって、図６（ｅ）と同じ周期では受光強度が得られないことになる。

実施例および比較例の結果によれば、コニカル回折によって次数の異なる回折光を測長方向とは異なる方向にオフセットさせ、かつ、測長方向に対して垂直なＹ軸方向に非直線的な波面収差を光源に与えることによって、次数の異なる回折光による不要な干渉信号を低減させることができることがわかった。一方、測長方向に対して垂直なＹ軸方向に非直線的な波面収差を光源に与えなければ、次数の異なる回折光同士の干渉縞を傾斜させることができないため、測定精度が得られないことがわかった。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ コリメート光源
２０ スケール
３０ 受光素子
３１ フォトダイオード
４０ シリンドリカルレンズ
１００ 光電式エンコーダ

Claims (3)

1. 第１軸に長さ方向を有する複数の格子が前記第１軸と直交する第２軸に沿って配列されたスケールと、
   前記スケールの入射面に垂直な第３軸に対して前記第１軸方向に傾斜する光軸を有し、前記スケールに光を入射する光源と、
   前記光源と前記スケールとの間に配置され、前記光源の光軸方向の厚みが前記第１軸方向において変化し、かつ、前記第１軸と前記第３軸とがなす平面での断面が前記第２軸の各位置で同じ形状を有している透明媒体と、
   前記スケールの前記光源と反対側に配置され、前記第１軸に長さ方向を有する複数のフォトダイオードが前記第２軸に沿って配列された受光素子と、を備えることを特徴とする光電式エンコーダ。
2. 前記光源の光軸は、前記第３軸に対して０．１度以上で、前記第１軸方向に傾斜す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. 前記透明媒体は、シリンドリカルレンズであることを特徴とする請求項１または２に記載の光電式エンコーダ。

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