JP2018179866A - 光学式エンコーダ - Google Patents
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Abstract
【課題】光学式エンコーダの大型化を抑え、受光手段にノイズ回折光が照射されることを抑制することができる光学式エンコーダの提供。【解決手段】光学式エンコーダ１は、回折格子Ｓを有するスケール２と、光源４からの光を受光する受光手段６と、スケール２および受光手段６の間に位置する光学素子５と、を備える。光学素子５は、一面に周期的に形成された周期的構造部である複数の溝部８を備える。複数の溝部８は、信号回折光１０およびノイズ回折光２０を所定の進行角度で進行する第１の分割光１１，２１と、第１の分割光１１，２１よりも大きな進行角度で進行する第２の分割光１２，２２と、に分割し、信号回折光１０の第１の分割光１２よりもノイズ回折光２０の第１の分割光２１の回折効率を減少させる。【選択図】図２
Description
本発明は、光学式エンコーダに関する。
従来、測定方向に沿って回折格子を配設したスケールと、光源から照射された光を回折格子を介して受光する受光手段を有し、スケールの測定方向に沿って相対移動してスケールとの相対移動量を検出するヘッドと、を備える光学式エンコーダが知られている。
このような光学式エンコーダでは、光源から照射された光は、回折格子を介して複数の回折光となる。複数の回折光は、回折格子と同じ周期の干渉縞を生成し、受光手段は、この干渉縞から信号を検出する。光学式エンコーダは、受光手段による検出結果（信号）からスケールとヘッドとの相対移動量を算出する。
このような光学式エンコーダでは、光源から照射された光は、回折格子を介して複数の回折光となる。複数の回折光は、回折格子と同じ周期の干渉縞を生成し、受光手段は、この干渉縞から信号を検出する。光学式エンコーダは、受光手段による検出結果（信号）からスケールとヘッドとの相対移動量を算出する。
複数の回折光は、光源から照射された光の光軸と同じ方向に進行する回折光と、光軸の両側を所定の回折角度で進行する回折光と、光軸の両側を所定の回折角度よりも大きな回折角度で進行する回折光と、を有する。
複数の回折光は、光軸と同じ方向に進行する回折光を０次回折光とすると、０次回折光を基準として回折角度が大きくなる方向に向かって±１次回折光、±２次回折光と順序づけることができる。
複数の回折光は、光軸と同じ方向に進行する回折光を０次回折光とすると、０次回折光を基準として回折角度が大きくなる方向に向かって±１次回折光、±２次回折光と順序づけることができる。
受光手段は、主に±１次回折光により生成される干渉縞から信号を検出する。したがって、±１次回折光は信号回折光となり、±１回折光よりも次数が高い回折光はノイズ回折光となる。
受光手段は、信号回折光およびノイズ回折光が照射されると、ノイズ回折光により信号回折光が生成する干渉縞が歪み、受光手段が検出する信号にノイズが発生する。したがって、受光手段による信号から算出される相対移動量の精度は低下し、光学式エンコーダの信頼性が低下するという問題がある。
受光手段は、信号回折光およびノイズ回折光が照射されると、ノイズ回折光により信号回折光が生成する干渉縞が歪み、受光手段が検出する信号にノイズが発生する。したがって、受光手段による信号から算出される相対移動量の精度は低下し、光学式エンコーダの信頼性が低下するという問題がある。
これに対して、特許文献１に記載された干渉式位置測定装置（光学式エンコーダ）は、透過形回折格子（回折格子）を配設したメインスケール（スケール）と、メインスケールに光を照射する光源と、透過形回折格子を透過した複数の回折光により生成される干渉縞から信号を出力する受光器（受光手段）と、を備える。
干渉式位置測定装置は、光源と受光器との間にメインスケールを配置して構成されている。また、干渉式位置測定装置は、光源とメインスケールの間に、回折格子ビームスプリッタと、光源から回折格子ビームスプリッタを透過した複数の回折光のうち±１次回折光のみをメインスケールに照射する光学ブロックと、を備える。
干渉式位置測定装置は、光源と受光器との間にメインスケールを配置して構成されている。また、干渉式位置測定装置は、光源とメインスケールの間に、回折格子ビームスプリッタと、光源から回折格子ビームスプリッタを透過した複数の回折光のうち±１次回折光のみをメインスケールに照射する光学ブロックと、を備える。
光学ブロックは、±１次回折光をメインスケールに向かって反射させて、±１次回折光以外の回折光をメインスケールに照射させない方向に屈折させる一体型プリズムと、０次回折光を物理的に遮蔽する０次回折光遮蔽器（±１次回折光以外の回折光を遮蔽する回折光遮蔽器）と、を備える。一体型プリズムは、回折格子ビームスプリッタに対して照射された光の光軸と平行な方向を長手方向とする直方体状に形成されている。０次回折光遮蔽器は、一体型プリズムの内部に設けられ、一体型プリズムの略中央部に配置されている。
干渉式位置測定装置は、光学ブロックを備えることにより、０次回折光遮蔽器および一体型プリズムにてノイズ回折光を除去し、±１次回折光（信号回折光）のみをメインスケールに照射している。
干渉式位置測定装置は、光学ブロックを備えることにより、０次回折光遮蔽器および一体型プリズムにてノイズ回折光を除去し、±１次回折光（信号回折光）のみをメインスケールに照射している。
しかしながら、このような光学式エンコーダは、一体型プリズムや±１次回折光以外の回折光を遮蔽する回折光遮蔽器などを設けることにより、光源およびスケールの間に複数の回折光を反射させたり屈折させるとともに遮蔽する空間が必要となる。したがって、光学式エンコーダの構造は、大型化するという問題がある。
本発明の目的は、光学式エンコーダの大型化を抑え、受光手段にノイズ回折光が照射されることを抑制することができる光学式エンコーダを提供することである。
本発明の光学式エンコーダは、平行光を照射する光源と、光源から照射された光を複数の回折光に回折する回折格子を有するスケールと、回折格子にて回折することによって、光源から照射された光の光軸の両側を所定の回折角度で進行する信号回折光および光源から照射された光の光軸の両側を信号回折光よりも大きな回折角度で進行するノイズ回折光を受光する受光手段と、を備える光学式エンコーダであって、スケールおよび受光手段の間に位置する光学素子を備え、光学素子は、スケールまたは受光手段と対面する一面に周期的に形成された周期的構造部を備え、周期的構造部は、信号回折光およびノイズ回折光を所定の進行角度で進行する第１の分割光と、第１の分割光よりも大きな進行角度で進行する第２の分割光と、に分割するとともに、信号回折光の第１の分割光よりもノイズ回折光の第１の分割光の回折効率を減少させることを特徴とする。
ここで、スケールが有する回折格子から光学素子に向かう複数の回折光は、光源からスケールに対して照射された光の光軸を基準として回折角度が大きくなる方向に向かって±１次回折光、±２次回折光、と順序付けることができる。
本発明では、複数の回折光について、±１次回折光を信号回折光とし、±２次以上の次数を有する回折光をノイズ回折光とする。
本発明では、複数の回折光について、±１次回折光を信号回折光とし、±２次以上の次数を有する回折光をノイズ回折光とする。
また、回折角度とは、光源からの光の光軸を基準として、スケールが有する回折格子によって回折された信号回折光およびノイズ回折光が、光学素子に向かって進行する際の角度である。進行角度とは、光源からの光の光軸を基準として、光学素子が有する周期的構造部によって分割された信号回折光およびノイズ回折光の第１の分割光および第２の分割光が光学素子内を進行する際の角度である。
また、回折効率とは、光学素子に入射する信号回折光およびノイズ回折光と、光学素子内を進行する信号回折光およびノイズ回折光の第１の分割光および第２の分割光と、の比である。
また、回折効率とは、光学素子に入射する信号回折光およびノイズ回折光と、光学素子内を進行する信号回折光およびノイズ回折光の第１の分割光および第２の分割光と、の比である。
本発明では、光学素子は、周期的構造部により分割される信号回折光の第１の分割光および第２の分割光と、ノイズ回折光の第１の分割光および第２の分割光と、について、信号回折光の第１の分割光よりもノイズ回折光の第１の分割光の回折効率を減少させることで、受光手段に照射されるノイズ回折光を抑制することができ、周期的構造部を用いない場合と比べてＳ／Ｎ比をよくすることができる。
また、光学素子は、スケールまたは受光手段と対面する一面に形成される周期的構造部により受光手段に照射されるノイズ回折光を抑制することができるため、スケールおよび受光手段の間に複数の回折光を反射させたり屈折させるとともに遮蔽する空間を設ける必要がない。
したがって、光学素子は、光学式エンコーダの大型化を抑え、受光手段にノイズ回折光が照射されることを抑制することができる。
したがって、光学素子は、光学式エンコーダの大型化を抑え、受光手段にノイズ回折光が照射されることを抑制することができる。
この際、光学素子は、スケールと対面する一面に形成される周期的構造部と、受光手段と対面するとともに回折格子の配設方向と平行な平滑面と、を備え、平滑面は、第２の分割光を全反射させることが好ましい。
本発明では、光学素子は、スケールと対面する一面に形成される周期的構造部と、受光手段と対面するとともに回折格子の配設方向と平行な平滑面と、を備えることで、周期的構造部により生成された信号回折光およびノイズ回折光の第２の分割光を全反射し、第２の分割光が受光手段に照射されることを抑制することができる。
したがって、光学素子は、受光手段にノイズ回折光が照射されることをさらに抑制することができる。
したがって、光学素子は、受光手段にノイズ回折光が照射されることをさらに抑制することができる。
この際、周期的構造部は、断面方形波状に形成された複数の溝部であることが好ましい。
このような構成によれば、周期的構造部は、断面方形波状に形成された複数の溝部であることで、他の形状に形成された場合と比べて高い回折効率で光学素子に照射される複数の回折光を回折できる。したがって、光学式エンコーダは、安定して信号回折光を得ることができる。
また、周期的構造部は、断面正弦波状に形成された複数の溝部であることが好ましい。
このような構成によれば、周期的構造部は、断面正弦波状に形成された複数の溝部であることで、他の形状に形成された場合と比べて高い回折効率で光学素子に照射される複数の回折光を回折できる。したがって、光学式エンコーダは、安定して信号回折光を得ることができる。
〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、第１実施形態に係る光学式エンコーダを示す斜視図である。
光学式エンコーダ１は、図１に示すように、測定方向に沿って回折格子Ｓを有する長尺状のスケール２と、スケール２に沿って移動するとともにスケール２との相対移動量から位置情報を取得するためのヘッド３と、を備えるリニアエンコーダである。
なお、以下の説明および各図面において、スケール２の長手方向（測定方向）をＸ方向とし、短手方向をＹ方向とし、高さ方向をＺ方向と記す場合がある。
以下、本発明の第１実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、第１実施形態に係る光学式エンコーダを示す斜視図である。
光学式エンコーダ１は、図１に示すように、測定方向に沿って回折格子Ｓを有する長尺状のスケール２と、スケール２に沿って移動するとともにスケール２との相対移動量から位置情報を取得するためのヘッド３と、を備えるリニアエンコーダである。
なお、以下の説明および各図面において、スケール２の長手方向（測定方向）をＸ方向とし、短手方向をＹ方向とし、高さ方向をＺ方向と記す場合がある。
ヘッド３は、平行光を照射する光源４と、スケール２の回折格子Ｓを介した複数の回折光を透過させる光学素子５と、スケール２および光学素子５を介して生成された干渉縞を検出して信号を出力する受光手段６と、を備える。これらを備えたヘッド３は、スケール２に対してＸ方向に一体で進退可能に設けられている。
スケール２は、光源４からの光を透光するガラス等の透光部材で形成されている。スケール２の一面には、Ｘ方向に沿って２μｍ周期で配設された回折格子Ｓが設けられている。回折格子Ｓは、光源４から照射された光を複数の回折光に回折する。
光源４は、スケール２の一面に向かって垂直（−Ｚ方向）に平行光を照射する。この際、光源４が照射する光の波長は、７００ｎｍである。光源４は、例えばＬＥＤ（Light Emitting Diode）が用いられている。なお、光源４はＬＥＤに限らず、任意の光源を用いてもよい。
光源４は、スケール２の一面に向かって垂直（−Ｚ方向）に平行光を照射する。この際、光源４が照射する光の波長は、７００ｎｍである。光源４は、例えばＬＥＤ（Light Emitting Diode）が用いられている。なお、光源４はＬＥＤに限らず、任意の光源を用いてもよい。
光学素子５は、スケール２の回折格子Ｓを介した複数の回折光を透光するガラスで形成されている。光学素子５の厚さ（Ｚ方向）は、１ｍｍに形成されている。光学素子５は、スケール２および受光手段６の間に位置する。光学素子５は、スケール２から１ｍｍ離間した位置に配置されるとともに、受光手段６から１ｍｍ離間した位置に配置されている。
受光手段６は、スケール２および光学素子５を透過した複数の回折光を受光し、複数の回折光によって生成された干渉縞から信号を検出する受光部７を備える。
受光手段６は、スケール２および光学素子５を透過した複数の回折光を受光し、複数の回折光によって生成された干渉縞から信号を検出する受光部７を備える。
受光部７は、測定方向（Ｘ方向）に２ｍｍの幅を有して形成されている。受光部７は、ＰＤＡ(Photo Diode Array)が用いられ、光学素子５の−Ｚ方向側に光学素子５と重なるように向かい合わせて設置されている。すなわち、スケール２と受光部７とは、光学素子５を挟んで互いに重なるように向かい合せて設置されている。
ＰＤＡは、複数の干渉縞を１度に測定することができる性質を持つ検出器である。なお、受光部７はＰＤＡに限らず、ＰＳＤ（Position Sensitive Detector）やＣＣＤ（Charge-Coupled Device）等の任意の検出器を用いてもよい。
ＰＤＡは、複数の干渉縞を１度に測定することができる性質を持つ検出器である。なお、受光部７はＰＤＡに限らず、ＰＳＤ（Position Sensitive Detector）やＣＣＤ（Charge-Coupled Device）等の任意の検出器を用いてもよい。
図２は、前記光学式エンコーダにおける信号回折光およびノイズ回折光を示す図である。
光学素子５は、図２に示すように、スケール２と対面する一面に形成される周期的構造部である複数の溝部８と、受光手段６と対面するとともに回折格子Ｓの配設方向（Ｘ方向）と平行な平滑面９と、を備える。
複数の溝部８は、断面方形波状に形成されている。具体的には、複数の溝部８は、幅１６０ｎｍ、深さ４８０ｎｍ、周期４００ｎｍに形成されている。
光学素子５は、図２に示すように、スケール２と対面する一面に形成される周期的構造部である複数の溝部８と、受光手段６と対面するとともに回折格子Ｓの配設方向（Ｘ方向）と平行な平滑面９と、を備える。
複数の溝部８は、断面方形波状に形成されている。具体的には、複数の溝部８は、幅１６０ｎｍ、深さ４８０ｎｍ、周期４００ｎｍに形成されている。
複数の回折光は、スケール２が有する回折格子Ｓによって、光源４から照射された光の光軸Ｌの両側を所定の回折角度で進行する信号回折光１０と、光源４から照射された光の光軸Ｌの両側を信号回折光１０よりも大きな回折角度で進行するノイズ回折光２０と、に回折される。
ここで、回折角度とは、光源４からの光の光軸Ｌを基準として、スケール２が有する回折格子Ｓによって回折された信号回折光１０およびノイズ回折光２０が光学素子５に向かって進行する際の角度である。
ここで、回折角度とは、光源４からの光の光軸Ｌを基準として、スケール２が有する回折格子Ｓによって回折された信号回折光１０およびノイズ回折光２０が光学素子５に向かって進行する際の角度である。
複数の溝部８は、信号回折光１０について、所定の進行角度で進行する第１の分割光１１（実線矢印）と、第１の分割光１１よりも大きな進行角度で進行する第２の分割光１２（破線矢印）と、に分割する。また、複数の溝部８は、ノイズ回折光２０について、所定の進行角度で進行する第１の分割光２１（破線矢印）と、第１の分割光２１よりも大きな進行角度で進行する第２の分割光２２（実線矢印）と、に分割する。
ここで、進行角度とは、光源４からの光の光軸Ｌを基準として、光学素子５が有する複数の溝部８によって分割された信号回折光１０およびノイズ回折光２０の第１の分割光１１，２１および第２の分割光１２，２２が光学素子５内を進行する際の角度である。
ここで、進行角度とは、光源４からの光の光軸Ｌを基準として、光学素子５が有する複数の溝部８によって分割された信号回折光１０およびノイズ回折光２０の第１の分割光１１，２１および第２の分割光１２，２２が光学素子５内を進行する際の角度である。
また、図２に示す実線矢印および破線矢印は、信号回折光１０およびノイズ回折光２０の第１の分割光１１，２１および第２の分割光１２，２２の進行する方向と、それぞれの回折効率を表している。回折効率とは、光学素子５に入射する信号回折光１０およびノイズ回折光２０と、光学素子５内を進行する信号回折光１０およびノイズ回折光２０の第１の分割光１１，２１および第２の分割光１２，２２と、の比である。
実線矢印は、破線矢印と比べて回折効率が高く、破線矢印は、実線矢印と比べて回折効率が低いことを示している。
平滑面９は、受光手段６と対面する一面に形成され、第２の分割光１２，２２を全反射させる。
実線矢印は、破線矢印と比べて回折効率が高く、破線矢印は、実線矢印と比べて回折効率が低いことを示している。
平滑面９は、受光手段６と対面する一面に形成され、第２の分割光１２，２２を全反射させる。
以上の光学式エンコーダ１の構成から厳密結合波理論（RCWA：Rigorous coupled-wave analysis）により、信号回折光１０の第１の分割光１１および第２の分割光１２と、ノイズ回折光２０の第１の分割光２１および第２の分割光２２と、の回折効率を算出すると、以下のような結果が得られる。
信号回折光１０は、スケール２から光学素子５に向かって回折角度２０．４８度で進行する。複数の溝部８により回折した信号回折光１０は、第１の分割光１１および第２の分割光１２に分割される。
信号回折光１０の第１の分割光１１の回折効率は９４．０％であり、信号回折光１０の第２の分割光１２の回折効率は５．０％である。そして、信号回折光１０の第２の分割光１２は、光学素子５内を進行角度６９．０度で進行する。
信号回折光１０の第１の分割光１１の回折効率は９４．０％であり、信号回折光１０の第２の分割光１２の回折効率は５．０％である。そして、信号回折光１０の第２の分割光１２は、光学素子５内を進行角度６９．０度で進行する。
ここで、ガラスで形成された光学素子５内を進行角度４１．８度以上で進行する回折光は、ガラス（光学素子５）と空気との界面である平滑面９で反射し、受光手段６に向かって照射されない。すなわち、光学素子５内を進行角度４１．８度以上で進行する回折光は、平滑面９において全反射することになる。
信号回折光１０の第２の分割光１２は、光学素子５内を進行角度６９．０度で進行するため、平滑面９において全反射する。
信号回折光１０の第２の分割光１２は、光学素子５内を進行角度６９．０度で進行するため、平滑面９において全反射する。
ノイズ回折光２０は、スケール２から光学素子５に向かって回折角度４４．４３度で進行する。複数の溝部８により回折したノイズ回折光２０は、第１の分割光２１および第２の分割光２２に分割される。
ノイズ回折光２０の第１の分割光２１の回折効率は１４．７％であり、ノイズ回折光２０の第２の分割光２２の回折効率は８５．１％である。そして、ノイズ回折光２０の第２の分割光２２は、光学素子５内を進行角度４４．４度で進行する。進行角度４１．８度以上で光学素子５内を進行する回折光は、平滑面９において全反射するため、ノイズ回折光２０の第２の分割光２２は、平滑面９において全反射する。
ノイズ回折光２０の第１の分割光２１の回折効率は１４．７％であり、ノイズ回折光２０の第２の分割光２２の回折効率は８５．１％である。そして、ノイズ回折光２０の第２の分割光２２は、光学素子５内を進行角度４４．４度で進行する。進行角度４１．８度以上で光学素子５内を進行する回折光は、平滑面９において全反射するため、ノイズ回折光２０の第２の分割光２２は、平滑面９において全反射する。
これにより、光学素子５は、受光手段６に照射されるノイズ回折光２０による影響を１５．６％まで減少させることができる。
したがって、光学式エンコーダ１は、複数の溝部８が形成された光学素子５を用いることによって、光学素子５を用いない場合と比較してＳ／Ｎ比をよくすることができる。
したがって、光学式エンコーダ１は、複数の溝部８が形成された光学素子５を用いることによって、光学素子５を用いない場合と比較してＳ／Ｎ比をよくすることができる。
図３から図６は、前記光学式エンコーダにおける信号回折光およびノイズ回折光を示す図である。具体的には、図３は、信号回折光１０の第１の分割光１１を示す図であり、図４は、ノイズ回折光２０の第１の分割光２１を示す図であり、図５は、信号回折光１０の第２の分割光１２を示す図であり、図６は、ノイズ回折光２０の第２の分割光２２を示す図である。
以下において、光学素子５を用いることによる信号回折光１０およびノイズ回折光２０の光路について説明する。
以下において、光学素子５を用いることによる信号回折光１０およびノイズ回折光２０の光路について説明する。
信号回折光１０の第１の分割光１１は、図３に示すように、光学素子５の複数の溝部８を介して受光部７に信号回折光１０として照射される。一方、ノイズ回折光２０の第１の分割光２１は、図４に示すように、受光手段６には到達するものの、受光部７にはほとんど照射されない。また、ノイズ回折光２０の第１の分割光２１は、信号回折光１０の第１の分割光１１と比べて回折効率の減少率が高い。このため、光学素子５は、複数の溝部８により受光手段６に照射されるノイズ回折光２０の第１の分割光２１による影響を低減することができる。
信号回折光１０の第２の分割光１２は、図５に示すように、光学素子５の複数の溝部８にて信号回折光１０の第１の分割光１１よりも大きな進行角度に回折されて進行角度が４１．８度以上となるため、平滑面９にて全反射する。また、図６に示すように、ノイズ回折光２０の第２の分割光２２も、光学素子５の複数の溝部８にてノイズ回折光２０の第１の分割光２１よりも大きな進行角度に回折されて進行角度が４１．８度以上となるため、平滑面９にて全反射する。ノイズ回折光２０の第１の分割光２１よりも回折効率が高いノイズ回折光２０の第２の分割光２２は、平滑面９において全反射するため、光学素子５の平滑面９は、受光手段６に照射されるノイズ回折光２０を抑制することができる。
このような本実施形態によれば、以下の作用・効果を奏することができる。
（１）光学素子５は、周期的構造部である複数の溝部８により分割される信号回折光１０の第１の分割光１１および第２の分割光１２と、ノイズ回折光２０の第１の分割光２１および第２の分割光２２と、について、信号回折光１０の第１の分割光１１よりもノイズ回折光２０の第１の分割光２１の回折効率を減少させることで、受光手段６に照射されるノイズ回折光２０を抑制することができ、周期的構造部である複数の溝部８を用いない場合と比べてＳ／Ｎ比をよくすることができる。
（１）光学素子５は、周期的構造部である複数の溝部８により分割される信号回折光１０の第１の分割光１１および第２の分割光１２と、ノイズ回折光２０の第１の分割光２１および第２の分割光２２と、について、信号回折光１０の第１の分割光１１よりもノイズ回折光２０の第１の分割光２１の回折効率を減少させることで、受光手段６に照射されるノイズ回折光２０を抑制することができ、周期的構造部である複数の溝部８を用いない場合と比べてＳ／Ｎ比をよくすることができる。
（２）光学素子５は、スケール２と対面する一面に形成される周期的構造部である複数の溝部８により受光手段６に照射されるノイズ回折光２０を抑制することができるため、スケール２および受光手段６の間に回折光を反射させたり屈折させるとともに遮蔽する空間を設ける必要がない。
したがって、光学素子５は、光学式エンコーダ１の大型化を抑え、受光手段６にノイズ回折光２０が照射されることを抑制することができる。
したがって、光学素子５は、光学式エンコーダ１の大型化を抑え、受光手段６にノイズ回折光２０が照射されることを抑制することができる。
（３）光学素子５は、スケール２と対面する一面に形成される周期的構造部である複数の溝部８と、受光手段６と対面するとともに回折格子Ｓの配設方向（Ｘ方向）と平行な平滑面９と、を備えることで、複数の溝部８により生成された信号回折光１０およびノイズ回折光２０の第２の分割光１２，２２を全反射し、第２の分割光１２，２２が受光手段６に照射されることを抑制することができる。
したがって、光学素子５は、受光手段６にノイズ回折光２０が照射されることをさらに抑制することができる。
したがって、光学素子５は、受光手段６にノイズ回折光２０が照射されることをさらに抑制することができる。
（４）周期的構造部である複数の溝部８は、断面方形波状に形成されたことで、他の形状に形成された場合と比べて高い回折効率で光学素子５に照射される複数の回折光を回折できる。したがって、光学式エンコーダ１は、安定して信号回折光を得ることができる。
〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明では、既に説明した部分については、同一符号を付してその説明を省略する。
以下、本発明の第２実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明では、既に説明した部分については、同一符号を付してその説明を省略する。
図７は、第２実施形態に係る光学式エンコーダを示す図である。
前記第１実施形態の光学式エンコーダ１のヘッド３は、光学素子５を備えていた。本実施形態の光学式エンコーダ１Ａのヘッド３Ａは、図７に示すように、光学素子５Ａを備えている点で前記第１実施形態のヘッド３と異なる。
また、前記第１実施形態の光学素子５は、断面方形波状に形成された周期的構造部である複数の溝部８を備えていた。本実施形態の光学素子５Ａは、断面正弦波状に形成された周期的構造部である複数の溝部８Ａを備えている点で、前記第１実施形態の光学素子５と異なる。
前記第１実施形態の光学式エンコーダ１のヘッド３は、光学素子５を備えていた。本実施形態の光学式エンコーダ１Ａのヘッド３Ａは、図７に示すように、光学素子５Ａを備えている点で前記第１実施形態のヘッド３と異なる。
また、前記第１実施形態の光学素子５は、断面方形波状に形成された周期的構造部である複数の溝部８を備えていた。本実施形態の光学素子５Ａは、断面正弦波状に形成された周期的構造部である複数の溝部８Ａを備えている点で、前記第１実施形態の光学素子５と異なる。
複数の溝部８Ａは、断面正弦波状に形成されている。具体的には、複数の溝部８Ａは、深さ６４０ｎｍ、周期４００ｎｍに形成されている。
本実施形態の光学式エンコーダ１Ａについて、厳密結合波理論により、信号回折光１０Ａの第１の分割光１３（実線矢印）および第２の分割光１４（破線矢印）と、ノイズ回折光２０Ａの第１の分割光２３（破線矢印）および第２の分割光２４（実線矢印）と、の回折効率を算出すると、以下のような結果が得られる。
本実施形態の光学式エンコーダ１Ａについて、厳密結合波理論により、信号回折光１０Ａの第１の分割光１３（実線矢印）および第２の分割光１４（破線矢印）と、ノイズ回折光２０Ａの第１の分割光２３（破線矢印）および第２の分割光２４（実線矢印）と、の回折効率を算出すると、以下のような結果が得られる。
信号回折光１０Ａは、スケール２から光学素子５Ａに向かって回折角度２０．４８度で進行する。複数の溝部８Ａにより回折した信号回折光１０Ａは、第１の分割光１３および第２の分割光１４に分割される。
信号回折光１０Ａの第１の分割光１３の回折効率は９６．３％であり、信号回折光１０Ａの第２の分割光１４の回折効率は３．２％である。そして、信号回折光１０Ａの第２の分割光１４は、光学素子５Ａ内を進行角度６９．０度で進行する。進行角度４１．８度以上で光学素子５Ａ内を進行する回折光は、平滑面９において全反射するため、信号回折光１０の第２の分割光１４は、平滑面９において全反射する。
信号回折光１０Ａの第１の分割光１３の回折効率は９６．３％であり、信号回折光１０Ａの第２の分割光１４の回折効率は３．２％である。そして、信号回折光１０Ａの第２の分割光１４は、光学素子５Ａ内を進行角度６９．０度で進行する。進行角度４１．８度以上で光学素子５Ａ内を進行する回折光は、平滑面９において全反射するため、信号回折光１０の第２の分割光１４は、平滑面９において全反射する。
ノイズ回折光２０Ａは、スケール２から光学素子５Ａに向かって回折角度４４．４３度で進行する。複数の溝部８Ａにより回折したノイズ回折光２０Ａは、第１の分割光２３および第２の分割光２４に分割される。
ノイズ回折光２０Ａの第１の分割光２３の回折効率は３８．５％であり、ノイズ回折光２０Ａの第２の分割光２４の回折効率は６１．０％である。そして、ノイズ回折光２０Ａの第２の分割光２４は、光学素子５Ａ内を進行角度４４．４度で進行する。進行角度４１．８度以上で光学素子５Ａ内を進行する回折光は、平滑面９において全反射するため、ノイズ回折光２０Ａの第２の分割光２４Ａは、平滑面９において全反射する。
ノイズ回折光２０Ａの第１の分割光２３の回折効率は３８．５％であり、ノイズ回折光２０Ａの第２の分割光２４の回折効率は６１．０％である。そして、ノイズ回折光２０Ａの第２の分割光２４は、光学素子５Ａ内を進行角度４４．４度で進行する。進行角度４１．８度以上で光学素子５Ａ内を進行する回折光は、平滑面９において全反射するため、ノイズ回折光２０Ａの第２の分割光２４Ａは、平滑面９において全反射する。
これにより、光学素子５Ａは、受光手段６に照射されるノイズ回折光２０による影響を４０．０％まで減少させることができる。
したがって、光学式エンコーダ１Ａは、複数の溝部８Ａが形成された光学素子５Ａを用いることによって、光学素子５Ａを用いない場合と比較してＳ／Ｎ比をよくすることができる。
したがって、光学式エンコーダ１Ａは、複数の溝部８Ａが形成された光学素子５Ａを用いることによって、光学素子５Ａを用いない場合と比較してＳ／Ｎ比をよくすることができる。
このような本実施形態においても、前記第１実施形態における（１）〜（３）と同様の作用、効果を奏することができる他、以下の作用、効果を奏することができる。
（５）周期的構造部である複数の溝部８Ａは、断面正弦波状に形成されたことで、他の形状に形成された場合と比べて高い回折効率で光学素子５Ａに照射される複数の回折光を回折できる。したがって、光学式エンコーダ１Ａは、安定して信号回折光を得ることができる。
（５）周期的構造部である複数の溝部８Ａは、断面正弦波状に形成されたことで、他の形状に形成された場合と比べて高い回折効率で光学素子５Ａに照射される複数の回折光を回折できる。したがって、光学式エンコーダ１Ａは、安定して信号回折光を得ることができる。
〔実施形態の変形〕
なお、本発明は、前記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記各実施形態では、リニアエンコーダである光学式エンコーダ１，１Ａに本発明を用いる場合を説明したが、ロータリーエンコーダであってもよく、光学式エンコーダであれば、検出器の形式や検出方式等は特に限定されるものではない。
なお、本発明は、前記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記各実施形態では、リニアエンコーダである光学式エンコーダ１，１Ａに本発明を用いる場合を説明したが、ロータリーエンコーダであってもよく、光学式エンコーダであれば、検出器の形式や検出方式等は特に限定されるものではない。
前記各実施形態では、光学素子５，５Ａはガラスで形成されていたが、ガラス以外の透光性部材で形成されていてもよく、任意の厚さで形成されていてもよい。また、周期的構造部である複数の溝部８，８Ａは、溝の幅、溝の深さ、周期が設定されていたが、これらは任意の数値に設定してもよい。また、複数の溝部８，８Ａは、断面方形波状や断面正弦波状に形成されていたが、その他の形状で形成されていてもよい。さらに、複数の溝部８，８Ａは、受光手段６と対面する一面に形成されていてもよい。
すなわち、光学素子は、スケールまたは受光手段と対面する一面に周期的に形成された周期的構造部を備えていればよく、周期的構造部により、信号回折光およびノイズ回折光を所定の進行角度で進行する第１の分割光と、第１の分割光よりも大きな進行角度で進行する第２の分割光と、に分割するとともに、信号回折光の第１の分割光よりもノイズ回折光の第１の分割光の回折効率を減少させることができればよい。
前記各実施形態では、光学素子５，５Ａは、受光手段６（受光部７）と対面する一面に平滑面９を備えていたが、平滑面９は、スケール２と対面する一面に設けられていてもよい。
前記各実施形態では、受光部７は、Ｘ方向に沿って幅２ｍｍに設定されていたが、任意の幅を有していてもよい。また、光学素子５，５Ａに対して、スケール２および受光手段６は、それぞれ１ｍｍ離間した位置に配置されていたが、任意の距離で離間させて配置してもよい。
前記各実施形態では、受光部７は、Ｘ方向に沿って幅２ｍｍに設定されていたが、任意の幅を有していてもよい。また、光学素子５，５Ａに対して、スケール２および受光手段６は、それぞれ１ｍｍ離間した位置に配置されていたが、任意の距離で離間させて配置してもよい。
以上のように、本発明は、光学式エンコーダの大型化を抑え、受光手段にノイズ回折光が照射されることを抑制することができる光学式エンコーダに好適に利用できる。
１，１Ａ 光学式エンコーダ
２ スケール
４ 光源
５，５Ａ 光学素子
６ 受光手段
８，８Ａ 複数の溝部（周期的構造部）
９ 平滑面
１０，１０Ａ 信号回折光
１１，１３ 第１の分割光
１２，１４ 第２の分割光
２０，２０Ａ ノイズ回折光
２１，２３ 第１の分割光
２２，２４ 第２の分割光
Ｓ 回折格子
２ スケール
４ 光源
５，５Ａ 光学素子
６ 受光手段
８，８Ａ 複数の溝部（周期的構造部）
９ 平滑面
１０，１０Ａ 信号回折光
１１，１３ 第１の分割光
１２，１４ 第２の分割光
２０，２０Ａ ノイズ回折光
２１，２３ 第１の分割光
２２，２４ 第２の分割光
Ｓ 回折格子
Claims (4)
- 平行光を照射する光源と、前記光源から照射された光を複数の回折光に回折する回折格子を有するスケールと、前記回折格子にて回折することによって、前記光源から照射された光の光軸の両側を所定の回折角度で進行する信号回折光および前記光源から照射された光の光軸の両側を前記信号回折光よりも大きな回折角度で進行するノイズ回折光を受光する受光手段と、を備える光学式エンコーダであって、
前記スケールおよび前記受光手段の間に位置する光学素子を備え、
前記光学素子は、
前記スケールまたは前記受光手段と対面する一面に周期的に形成された周期的構造部を備え、
前記周期的構造部は、
前記信号回折光および前記ノイズ回折光を所定の進行角度で進行する第１の分割光と、
前記第１の分割光よりも大きな進行角度で進行する第２の分割光と、に分割するとともに、
前記信号回折光の第１の分割光よりも前記ノイズ回折光の第１の分割光の回折効率を減少させることを特徴とする光学式エンコーダ。 - 請求項１に記載された光学式エンコーダにおいて、
前記光学素子は、
前記スケールと対面する一面に形成される前記周期的構造部と、
前記受光手段と対面するとともに前記回折格子の配設方向と平行な平滑面と、を備え、
前記平滑面は、
前記第２の分割光を全反射させることを特徴とする光学式エンコーダ。 - 請求項１または請求項２に記載された光学式エンコーダにおいて、
前記周期的構造部は、
断面方形波状に形成された複数の溝部であることを特徴とする光学式エンコーダ。 - 請求項１または請求項２に記載された光学式エンコーダにおいて、
前記周期的構造部は、
断面正弦波状に形成された複数の溝部であることを特徴とする光学式エンコーダ。
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