JP2600888B2 - エンコーダ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はエンコーダに関し、特に移動物体に取付けた
回折格子にレーザ光等の可干渉性光束を入射させ該回折
格子からの所定次数の回折光を互いに干渉させて干渉縞
を形成し、該干渉縞の明暗の縞を計数することによって
回折格子の移動量、即ち移動物体の移動量を測定するロ
ータリーエンコーダやリニアエンコーダ等のエンコーダ
に関するものである。

（従来の技術） 従来より移動物体の移動量や移動方向を高精度に、例
えばサブミクロンの単位で測定することのできる測定器
としてエンコーダがあり、各方面で使用されている。

特にレーザー等の可干渉性光束を移動物体に設けた回
折格子に入射させ該回折格子から生ずる所定次数の回折
光を互いに干渉させ、該干渉縞の明暗を計数することに
より該移動物体の移動量や移動方向等の移動状態を求め
たエンコーダーが良く知られている。

本出願人はこのようなエンコーダーを例えば特開昭62
−163926号公報、特開昭62−163924号公報、そして特開
昭62−200225号公報で提案している。

（発明が解決しようとする問題点） このようなエンコーダにおいて使用波長が可視領や赤
外領域である場合、測定精度を向上させる一方法として
格子ピッチの細かな回折格子を用いる方法がある。

しかしながら格子ピッチの細かな回折格子を形成する
のは一般に大変困難であり、例えば電子線描画装置を用
いた場合、線幅を１μｍ以下にすると安定した線幅が得
られないという問題点があった。

又ホログラフィーを利用すれば線幅１μｍ以下の格子
ピッチが比較的容易に得られるが格子ピッチを精度良く
形成するのが難しいという問題点があった。

特にロータリーエンコーダ等において円板上に放射上
の微細な回折格子を精度良く形成することは非常に難し
いという問題点があった。

本発明は所定の格子ピッチを有する回折格子を複数個
積層した回折手段を利用することにより回折格子の格子
ピッチをあまり細かくしなくても高い分解能が容易に得
られ高精度な検出が可能なエンコーダの提供を目的とす
る。

（問題点を解決するための手段） 本発明に係るエンコーダは移動物体の移動量を測定す
るエンコーダにおいて、該移動物体に連結され、所定の
格子ピッチの回折格子を複数個積層した回折手段と、該
回折手段に光束を入射させる光束入射手段と、該回折手
段からの所定次数の回折光より形成される干渉光の明暗
を検出する検出手段とを有することを特徴としている。

（実施例） 第１図（Ａ）は本発明をリニアエンコーダに適用した
ときの第１実施例の要部概略図である。

同図において１はレーザ、２はコリメーターレンズで
あり、レーザ１からの光束を平行光束にしている。ここ
でレーザ１とコリメーターレンズ２は光束入射手段の一
要素を構成している。３は偏光ビームスプリッターであ
りコリメーターレンズ２からの平行光束をＰ偏光とＳ偏
光の２つの光束に分割している。

100は回折手段であり不図示の移動物体に連結されて
いる。回折手段100は所定の格子ピッチの回折格子102
a、102bを形成した複数の回折スケール板、同図では２
枚の回折スケール板101a、101bを積層して構成されてお
り、移動物体と共に例えば矢印の方向に速度Ｖで移動し
ている。本実施例では２つの回折スケール板101a、101b
に形成した回折格子の格子ピッチ４は等しいものを用い
ている。

4₁、4₂は1/4波長板であり直線偏光を円偏光又はその
逆に変換している。

5₁、5₂は反射部材であり1/4波長板4₁、4₂からの光束
を元の光路に戻している。

６は1/4波長板であり、直線偏光を円偏光に変換して
いる。７はビームスプリッターであり入射光束を２つの
光束に分割している。8₁、8₂は偏光板、9₁、9₂は受光素
子（検出手段）である。

本実施例ではレーザ１からの光束をコリメーターレン
ズ２により略平行光束とし、偏光ビームスプリッタ３に
よりＰ偏光を通過、Ｓ偏光を反射させて２つの光束に分
割し、これらの各光束を所定の角度で回折手段100に入
射させている。

Ｐ偏光のうち回折格子102aで＋１次の回折をし、回折
格子102bで＋１次の回折をした光束を1/4波長板4₂を通
過させて円偏光として反射部材5₂で反射させて元の光路
に戻し再び1/4波長板4₂を通過させて最初の直線偏光状
態とは偏光方位が90度異なる直線偏光として、再度回折
格子102bで＋１次の回折、回折格子102bで＋１次の回折
をした（往復で全体として４回の＋１次回折をしたこと
になる。）光束を偏光ビームスプリッター３に入射させ
ている。そして今度は前と偏光方位が90度異っている為
に偏光ビームスプリッター３で反射させて1/4波長板６
に導光している。

一方偏光ビームスプリッター３を反射し、回折手段10
0に入射させたＳ偏光のうち回折格子102aで−１次の回
折、回折格子102bで更に−１次の回折をした光束を前述
のＰ偏光の場合と同様に1/4波長板4₁、反射部材5₁を介
し、元の光路に戻し、再度回折格子102b、102aで各々−
１次の回折を行なった後、最初の直線偏光状態とは偏光
方位が90度異なる直線偏光に変換させて今度は偏光ビー
ムスプリッター３を通過させて1/4波長板６に導光して
いる。

そして1/4波長板６に導光した２光束は各々１次の回
折を４回行っているから回折格子の１ピッチ分の回折手
段100の移動に対して２π×４ラジアンの波面の位相が
ずれる。即ち＋１次の回折を４回行った光束は＋２π×
４＝＋８πとなり８πの位相が進む。一方、−１次の回
折を４回行った光束は−２π×４＝−８πとなり８πの
位相が遅れる。従って、２光束の位相差は回折手段100
の移動１ピッチ当り16πとなる。

同図においては1/4波長板６に導光された２光束は互
いに直交した直線偏光であるので、このままでは干渉せ
ず明暗信号が得られない。そこで1/4波長板６を介し互
いに逆回転する円偏光にして重ね合わせ、２光束の位相
差で直線偏光方位が変わる直線偏光にしている。

そして偏光板8₁、8₂を介して、この重なった２光束の
干渉に基づく明暗信号を受光素子9₁、9₂で検出してい
る。

本実施例では２光束の位相差が16πになる間に８周期
の明暗信号が得られる。

このように本実施例では検出手段からの出力信号を利
用して回折手段100の移動状態を検出している。

尚、本実施例において２枚の回折スケール板を用いる
代わりに１枚の回折スケール板101aの表裏に第１図
（Ｂ）に示すように各々回折格子102a、102bを形成した
ものを用いても同様の効果が得られる。

本実施例では回折スケール板を２枚用いた場合を示し
たが回折スケール板を多く用いればそれに応じて回折手
段100の１ピッチ当りの移動に対する２光束間の位相差
が増大するので検出精度が向上する。

第２図は第１図の回折手段100として回折格子を５枚
積層して構成した場合の第２実施例の要部概略図であ
る。

リニアエンコーダとしての測定原理は第１図の場合と
同様である。又第１図に示す要素と同一要素には同符番
を付している。

一般に回折格子をｎ枚重ねて第１図と同様な光学装置
を用いた場合、回折スケール板の移動に伴う２光束間の
位相のずれは、１ピッチ当り８π×2^n-1ラジアンとな
り、回折格子の１ピッチ当り４×2^n-1＝2ⁿ⁺¹周期の明暗
信号が現われる。例えば１ピッチ12.8μｍの回折格子を
５枚重ねると、１ピッチ12.8μｍ当り2⁵⁺¹＝64周期の明
暗信号が得られる。

従って１周期当りの回折格子の移動量は12.8/64＝0.0
5μｍとなる。尚、回折回数を増やすと一般に光量が低
下してくる。この為には例えば回折格子の断面形状を矩
形又は三角形等にした位相格子又はホログラフィー格子
にすれば所定次数の回折光を効率よく得ることができる
ので好ましい。

第３図は本発明をロータリーエンコーダに適用したと
きの第３実施例の要部概略図である。同図において第１
図の要素と同一要素には同符番を付している。

図中300は回折手段であり不図示の回転物体に連結さ
れており、円板上の周囲に所定の格子ピッチより成る回
折格子をその面上に形成した２つの回折スケール板301
a、301bより成っている。

本実施例では回折スケール板301a、301b上の回折格子
の格子ピッチは等しいものを用いている。

33は２個の台形プリズム33₁、33₂を貼り合わせてなる
光学部品、34は光分割面であり光学部品33の貼合わせ面
より成り、偏光ビームスプリッタと同機能の光分割を行
っている。35及び37は各々プリズム反射鏡で光束を所定
方向に反射させている。

M₁、M₂は回折スケール板301aの周囲に設けた回折格子
への光束の入射点を示す。

本実施例では光源１より放射される光束をコリメータ
レンズ２によって平行光束とし、光学部品33をなす台形
プリズム33₁の斜面で反射させた後、光分割面34へ所定
の角度で入射するように指向する。光分割面34に入射し
た光束は略1:1の比率で反射光束と透過光束の２つの直
線偏光光束に分割される。尚、光源１の光束は光分割面
34の直交偏波面に対し、所定の方向（通常45゜）の直線
偏光に設定されている。

分割された２光束は台形プリズム33₁、33₂内で各々２
度反射し、光学部品33を出射しプリズム反射鏡35又は37
により回折スケール板301aの所定の位置M₁及びM₂へ所定
の入射角で入射する。回折格子302aで回折した透過回折
光のうち特定次数の回折光を、更に回折格子302bで回折
させた後、特定次数の回折光を1/4波長板4₁又は4₂を介
して反射手段5₁又は5₂により反射させ、同一光路を逆行
させる。そして、回折格子302b、302aで順次回折させた
特定次数の回折光をプリズム反射鏡35、又は37で反射さ
せ同一光路を逆行させ、光学部品33で内面反射を繰り返
し、光分割面34へ導光している。ここでの光束は反射手
段5₁又は5₂で反射される前後で２度1/4波長板を通過す
る為、偏光方位は回折手段300へ入射する前とは各々90
゜異なっている。従って、光分割面34で先に反射側であ
った光束が今度は透過し、透過側であった光束が今度は
反射して重なり合い干渉縞を形成し光学部品33で内面反
射して1/4波長板６へ入射される。1/4波長板６を通過し
た光束は同偏光となる。

そして第１図の第１実施例と同様に1/4波長板６を通
過した光束は光分割器７で２分割され各々偏光方位を異
ならせて配置した偏光板8₁、又は8₂を介し直線偏光とし
て受光素子9₁、又は9₂にて２光束による干渉縞の強度を
受光し、偏光板8₁及び8₂の方位に応じた位相差をもった
２相信号を得ている。

本実施例においては第１図の第１実施例と同様に被測
定回転物体が回折格子の格子ピッチの１ピッチ分だけ回
転するとｍ次の回折光の位相は8mπだけ変化する。同様
に−ｍ次の回折光の位相は−8mπだけ変化する。これに
より全体として受光素子9₁、9₂からは8m個の正弦波形が
得られる。本実施例ではこのときの正弦波形を検出する
ことにより回折手段300の回転量を測定している。

本実施例では光分割器７により光束を２分割し各々の
光束間に90度の位相差をつけることにより回転物体の回
転方向も判別出来るようにしている。

本発明において回折手段に用いるｎ枚の回折スケール
板に設ける回折格子のピッチｐはすべて等しければ前記
の通り１ピッチｐ当り2ⁿ⁺¹周期の周期信号がとり出され
るが、各回折格子のピッチを各々異なるものより構成し
てもよい。例えば２つの回折スケール板を用い光束が最
初に入射する回折スケール板101aの回折格子102aのピッ
チをp₁、次に入射する回折スケール板101bの回折格子10
2bのピッチをp₂とする回折手段の移動量をｌとすると、
第１の回折格子102aによって１次回折光は位相が２π×
l/p₁だけ変動（片道の場合）する。第２の回折格子102b
では、更に、２π×l/p₂だけ変動（片道の場合）する。
これを往復すれば各々２倍になるから合計４π×l/（1/
p₁＋1/p₂）だけ位相が変化する。

−１次回折光は第１の回折格子102aによって−２π×
l/p₁だけ位相が変動し、第２の回折格子102bで更に−２
π×l/p₂だけ位相が変動するから、これらを往復すれば
−４π×l/（1/p₁＋1/p₂）だけ位相が変化する。よって
±１次回折光同志の干渉信号は回折スケール板（回折手
段）の移動量ｌに対し 周期の明暗信号が得られる。

例えばピッチp₁＝４μｍ、p₂＝２μｍの回折格子を用
いれば１周期当りの回折手段の移動量ｌは となり小数で表示できないピッチの周期信号を得ること
ができる。

一般に回折スケール板の枚数をｎ枚とし各回折格子の
ピッチをp₁、p₂、...p_nとすれば回折手段の移動量ｌに
対し 周期の正弦波状信号が得られる。

かかる複数の回折スケール板を組合せた回折手段はガ
ラス板の両面に各種の格子ピッチの回折格子を形成した
り、又は格子ピッチが異なる複数の回折格子より成る回
折スケール板を組合せて一体にして得ることができる。

また、本発明は光束が回折格子を複数回通過する間に
各々の回折格子で回折される際に生ずる位相ずれを累積
させて合計の位相ずれを多く得ることを原理とするか
ら、回折格子を複数枚通過させて得られた回折光のうち
２種の光（例えば±１次回折光）を干渉させて信号を得
る光学構成とすれば本発明の目的とするエンコーダを達
成することができる。

第４図〜第７図は各々本発明をリニアエンコーダに適
用したときの第４〜第７実施例の要部概略図である。

これらの各実施例において第１〜第３図に示す要素と
同一要素には同符番を付しており、又リニアエンコーダ
としての移動物体の検出方法は第１図の第１実施例と基
本的に同じである。

第４図に示す第４実施例ではレーザ１からの光束をコ
リメータレンズ２、光学部品33の光分割面34を利用して
２つの光束に分割し1/4波長板4₁、4₂を通過させて回折
手段400の回折スケール板401aの表裏に形成した回折格
子402a、402bに順次入射させている。そして回折手段40
0で回折された±１次の回折光が回折手段400から垂直に
かつ重なり合って射出し、共通の反射部材５で反射し、
元の光路を戻り、再度回折格子402b、402aで回折した後
1/4波長板4₁、4₂、光学部品33を介し1/4波長板６に導光
している。そして第１図の実施例と同様に光分割手段７
で２光束に分割し、これらの干渉光を各々偏光板8₁、8₂
を介し受光素子9₁、9₂で受光している。そして受光素子
9₁、9₂からの出力信号を用いて回折手段400の移動量を
検出している。

第５図に示す第５実施例では第４図の実施例に比べて
回折手段500を所定の格子ピッチの回折格子を有する５
つの回折スケール板501a〜501eを積層して構成し、回折
手段500からの所定次数の２つの回折光を各々専用の1/4
波長板4₁、4₂と反射部材5₁、5₂を介して元の光路に戻し
ている点が異なり、その他の構成は同じである。

第６図に示す第６実施例では第１図の実施例において
回折手段の回折スケール板の表裏に形成した２つの回折
格子102a、102bで回折した±１次の回折光束をプリズム
型の光分割器67のハーフミラー面67aを利用して重ね合
わせ、一方の重なり合った光束は45゜方位に偏光面を持
つ偏光板8₂を介して干渉信号になり、受光素子9₂に入射
し、もう一方の重なり合った光束は1/4波長板６によっ
てその中の一方の光束の波面を1/4λだけずらした後に4
5゜方位に偏光面を持つ偏光板8₁を介して干渉信号にな
り受光素子9₁に入射する。

本実施例では回折格子の１ピッチの移動に対して受光
素子で検出される２光束の位相差は８πとなる。

第７図はレーザ１からの光束をコリメーターレンズ２
を介し３つの回折スケール板101a、101b、101cを積層し
た回折手段700に垂直に入射させ、回折手段700の各回折
格子で回折した±１次の回折光をそのまま取り出し、互
いに偏光面が直交するように配置した偏光板10a、10bを
介した後光分割器77のハーフミラー面77aを利用して２
光束を重ね合わして干渉光を得ている。

そして第６図の実施例と同様にして偏光板8₁、8₂、1/
4波長板６を介して受光素子9₁、9₂により干渉信号を検
出している。

（発明の効果） 本発明によれば前述の如く同一又は異った格子ピッチ
の回折格子を複数個積層した回折手段を利用することに
より、細かな格子ピッチの回折格子を用いなくても移動
物体の僅かな変位に対しても効果的に良好なる周期信号
が得られ、高い分解能が容易に得られるエンコーダを達
成することができる。

【図面の簡単な説明】 第１図（Ａ）、第２図は本発明をリニアエンコーダに適
用したときの第１、第２実施例の要部概略図、第１図
（Ｂ）は第１図（Ａ）の一部分の変形例の説明図、第３
図は本発明をロータリーエンコーダに適用したときの第
３実施例の要部概略図、第４図〜第７図は各々本発明を
リニア−エンコーダに適用したときの第４〜第７実施例
の要部概略図である。図中１はレーザ、２はコリメータ
ーレンズ、３は偏光ビームスプリッター、100、300、40
0、500、700は回折手段、４、4₁、4₂、６は1/4波長板、
５、5₁、5₂は反射部材、７はビームスプリッター（光分
割器）、8₁、8₂は偏光板、9₁、9₂は受光素子、である。

フロントページの続き (72)発明者 窪田 洋一 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (72)発明者 石井 哲 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】移動物体の移動量を測定するエンコーダに
   おいて、該移動物体に連結され、所定の格子ピッチの回
   折格子を複数個積層した回折手段と、該回折手段に光束
   を入射させる光束入射手段と、該回折手段からの所定次
   数の回折光より形成される干渉光の明暗を検出する検出
   手段とを有することを特徴とするエンコーダ。
2. 【請求項２】前記複数の回折格子はその格子ピッチが互
   いに異なっていることを特徴とする請求項１記載のエン
   コーダ。
3. 【請求項３】前記回折手段は、透明基板の表裏の各々に
   回折格子を設けた回折スケール板を少なくとも１枚有し
   ていることを特徴とする請求項１又は２のエンコーダ。