JP4962773B2

JP4962773B2 - エンコーダ

Info

Publication number: JP4962773B2
Application number: JP2007025860A
Authority: JP
Inventors: 昭宏渡邉; 亨今井; 進牧野内
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2007-02-05
Filing date: 2007-02-05
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2027-02-05
Also published as: US20080185506A1; EP1953505A1; JP2008191004A

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、光学式エンコーダにおいて、変調された照明光を、インデックススケールなどによって分割し、これら分割された照明光同士の干渉を利用した回折干渉方式のエンコーダが種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。

国際公開第２００６／０６４８０１号パンフレット

本発明は、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移動スケールと；前記照明光を、第１照明光と第２照明光とに空間的に分割して、前記第１照明光と前記第２照明光とを、前記移動スケールのパターン上に重ねて照射する光学系と；を備えるエンコーダである。

これによれば、変調された照明光は、光学系によって第１照明光と第２照明光とに空間的に分割される。したがって、例えば、移動スケールのパターン上に、第１照明光と第２照明光とを完全に重なり合った状態で入射させても、第１,第２照明光は相互に干渉するため、照明光の利用効率を向上することが可能となる。

以下、本発明の一実施形態を図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。このエンコーダ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。

図１に示されるように、エンコーダ１０は、光源１１、スキャンミラー１３、コリメータレンズ１５、三角プリズム１７、偏向用回折格子１９、移動スケール２１、及び受光素子２３などを備えている。

前記光源１１は、コヒーレントな発散光、例えば波長λ（＝８５０ｎｍ）の照明光Ｌを、図１に示されるように、左斜め下４５度の方向（Ｙ軸と直行しＸ軸及びＺ軸と４５度の角度をなす方向）へ射出する。

前記スキャンミラー１３は、光源１１から射出された照明光Ｌの光路上に配置されている。このスキャンミラー１３は、不図示の駆動機構によって、図１中の矢印に示されるようにＹ軸に平行な軸回りに回動されることで周期的に微小振動され、入射する照明光Ｌを周期的に変調するとともに、９０度折り返して右斜め下４５度の方向へ反射する。

前記コリメータレンズ１５は、スキャンミラー１３によって反射された照明光Ｌを略平行光に成形する。

前記三角プリズム１７は、ＸＹ面に平行な面とＹＺ面に平行な面とを有する断面が直角２等辺三角形のプリズムである。この三角プリズム１７は、長手方向をＹ軸方向として照明光Ｌの投影面の一部にＹＺ面に平行な面（以下、反射面ともいう）が含まれるように、照明光Ｌの光路上に配置され、反射面に入射する照明光Ｌの一部を９０度折り返して左斜め下４５度の方向へ反射する。以下、照明光Ｌのうち、三角プリズム１７によって左斜め下４５度の方向へ反射された照明光を照明光Ｌ１とし、三角プリズム１７に反射されることなく、右斜め下４５度の方向へ進行する照明光を照明光Ｌ２とする。また、三角プリズム１７では、例えば、照明光Ｌ１と照明光Ｌ２の光量が相互に等しくなるように照明光Ｌの分割が行われ、後述する偏向用回折格子１９における照明光Ｌ１と照明光Ｌ２の投影面形状は等しくなるものとする。

前記偏向用回折格子１９は、三角プリズム１７の下方に配置されている。この偏向用回折格子１９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る。偏向用回折格子１９へ入射した照明光Ｌ１,Ｌ２は、偏向用回折格子１９によって、右斜め下４５度の方向及び左斜め下４５度の方向へそれぞれ回折され、それぞれ移動スケール２１上のほぼ同一位置へ入射する。

前記移動スケール２１は、偏向用回折格子１９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２１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る。移動スケール２１へ入射した照明光Ｌ１,Ｌ２それぞれは、移動スケール２１によって下方に回折され、相互に干渉した状態で受光素子２３へ入射する。以下、移動スケール２１を透過した照明光Ｌ１,Ｌ２をまとめて干渉光Ｌ１２とする。

前記受光素子２３は、移動スケール２１の下方に配置されている。この受光素子２３は、移動スケール２１を経由した干渉光Ｌ１２が入射すると、干渉光Ｌ１２の干渉度合いに応じた光電変換信号（以下、Ｉ（ｔ）とする）を出力する。

この光電変換信号Ｉ（ｔ）は移動スケール２１の位置情報を含んでおり、例えば米国特許６,６３９,６９６号明細書に記載の処理を行なうことで、移動スケール２１の位置情報及び移動情報を算出することができる。

以上説明したように、本実施形態に係るエンコーダ１０では、照明光Ｌは、移動スケール２１へ入射する前に三角プリズム１７に到達し、一部が三角プリズム１７の反射面に反射されることで、空間的に（或いは物理的に）照明光Ｌ１と照明光Ｌ２とに分割される。この空間的に分割された照明光Ｌ１と照明光Ｌ２は、例えば変調された照明光が回折格子によって、格子の各位置で±１次回折されることで生じる、＋１次回折光と−１次回折光とは異なり、移動スケール２１の同一位置（領域）へ入射させて完全に重ねたとしても相互に干渉し、干渉光Ｌ１２を得ることができる。したがって、移動スケール２１へ入射する照明光のうち、干渉に寄与しない無駄な照明光を最小限に抑え、照明光の利用効率を向上することが可能となる。

変調された照明光が回折格子の各位置で回折されることで生じる＋１次回折光と−１次回折光を用いる場合は、回折格子のある１点の位置で生じた±１次回折光を移動スケール上の同一位置に入射させても干渉が生じないので、回折格子の異なる位置で生じた±１次回折光をスケールの同一位置に入射させて干渉させる必要がある。すなわち、＋１次回折光と−１次回折光とを互いに干渉させるために、それぞれの一部のみが相互に重なった状態で各光束を移動スケールに入射させる必要があり、照明光の利用効率を向上する妨げとなっていた。

なお、上記実施形態では、移動スケール２１上の同一位置へ、照明光Ｌ１と照明光Ｌ２とがそれぞれ入射することとして説明したが、これに限らず、照明光Ｌ１と照明光Ｌ２の入射位置は完全に一致している必要はない。完全に一致していなくても、照明光Ｌ１と照明光Ｌ２とは相互に干渉し、移動スケール２１の位置情報等を含んだ干渉光を得ることができるからである。

また、上記実施形態では、照明光Ｌ１と照明光Ｌ２相互間の光量に差がない場合について説明したが、これに限らず、各照明光Ｌ１,Ｌ２間で光量に差があってもよく、また、偏向用回折格子１９での投影面の形状が異なっていてもよい。この場合にも、照明光Ｌ１と照明光Ｌ２とは相互に干渉し、移動スケール２１の位置情報等を含んだ干渉光を得ることができる。また、移動スケール２１への入射位置は、例えば偏向用回折格子１９での投影面の重心などを基準に考えることができる。

また、上記実施形態では、移動スケール２１に入射する前に三角プリズム１７を用いて、空間的に照明光Ｌを２つの照明光Ｌ１と照明光Ｌ２とに分割したが、例えば、反射ミラーをその反射面がＹＺ面に平行となるように配置してもよい。

また、照明光Ｌを分割する光学素子としては、照明光Ｌの一部を反射することによって、照明光Ｌを分割する光学素子以外にも、種々の光学素子が考えられる。以下、具体的に４つの例について説明する。

《変形例１》
図２は、変形例１に係るエンコーダ１０Ａを示す図である。このエンコーダ１０Ａは、相互に直交する面を持つ三角プリズム１７に代えて、頂角が鈍角であるプリズム１７Ａを有している点でエンコーダ１０と相違している。このエンコーダ１０Ａでは、プリズム１７Ａが、その頂角を挟む２つの面が、スキャンミラー１３によって変調された照明光の投影面内にくるように配置されており、照明光はプリズム１７Ａによって空間的に２つの照明光に分割された後、偏向用回折格子１９により、移動スケール２１上面の同一位置へ入射されるようになっている。エンコーダ１０Ａでは、偏向用回折格子１９上に形成された各照明光の投影面はＹ軸対称の半円形となるが、移動スケール２１上面の同一位置へ入射されることで、干渉に寄与しない無駄な照明光が最小限に抑えられ、照明光の利用効率を向上することが可能となる。

《変形例２》
図３は、変形例２に係るエンコーダ１０Ｂを示す図である。このエンコーダ１０Ｂでは、上記変形例１に係るエンコーダ１０Ａに用いられるプリズム１７Ａの機能を、１組のプリズム１７Ｂを組み合わせることで実現している。図３に示されるように、エンコーダ１０Ｂでは、１組のプリズム１７Ｂが、その面同士がＶ字状となり、かつ双方の面が照明光の投影面内にくるように配置されており、照明光は１組のプリズム１７Ｂによって空間的に２つの照明光に分割された後、偏向用回折格子１９により、移動スケール２１上面の同一位置へ入射されるようになっている。これにより、エンコーダ１０Ｂにおいて、干渉に寄与しない無駄な照明光が最小限に抑えられ、照明光の利用効率を向上することが可能となる。

なお、本変形例では１組のプリズム１７Ｂが用いられているが、これらを一体的に成形した、例えばＶ字状に形成された入射面をもつ光学素子などを用いてもよいことは勿論である。要は、照明光を空間的に分割することが可能なプリズムであれば、その形状は特に限定されるものではなく、例えばガラスモールドプレスや、射出成形などで一体成形することができる。

《変形例３》
図４は、変形例３に係るエンコーダ１０Ｃを示す図である。このエンコーダ１０Ｃでは、上記変形例１に係るエンコーダ１０Ａに用いられるプリズム１７Ａの機能を、１組のブレーズ回折格子１７Ｃを組み合わせることで実現している。図４に示されるように、エンコーダ１０Ｃでは、１組のブレーズ回折格子１７Ｃの双方が照明光の投影面内にくるように配置され、−Ｘ側のブレーズ回折格子１７Ｃへ入射した照明光は左斜め下方向へ回折され、＋Ｘ側のブレーズ回折格子１７Ｃへ入射した照明光は右斜め下方向へ回折される。そして、１組のブレーズ格子１７Ｂによって空間的に分割された照明光は、偏向用回折格子１９により、それぞれ移動スケール２１上面の同一位置へ入射されるようになっている。これにより、エンコーダ１０Ｃにおいて、干渉に寄与しない無駄な照明光が最小限に抑えられ、照明光の利用効率を向上することが可能となる。また、照明光を分割する素子としてブレーズ格子を用いることで、照明光の不要な回折を抑え、光学系での迷光を効果的に削減することが可能となる。

《変形例４》
図５は、変形例４に係るエンコーダ１０Ｄを示す図である。このエンコーダ１０Ｄは、照明光を空間的に分割して、移動スケール２１上へ入射させる光学系が１組のプリズム１７Ｄによって構成されている点で、上記実施形態に係るエンコーダ１０と異なっている。図５に示されるように、エンコーダ１０Ｄでは、断面が平行四辺形の１組のプリズム１７Ｄが照明光の投影面内にくるように配置されている。スキャンミラー１３によって変調された照明光は、１組のプリズム１７Ｄにそれぞれ入射することにより２つに分割され、分割されたそれぞれの照明光は、それぞれプリズム１７Ｄで内面反射した後にプリズム１７Ｄの下面から射出され、移動スケール２１上面の同一位置へ入射されるようになっている。これにより、エンコーダ１０Ｄにおいて、干渉に寄与しない無駄な照明光が最小限に抑えられ、照明光の利用効率を向上することが可能となる。

また、エンコーダ１０Ｄでは、１組のプリズム１７Ｄの内面反射を利用して、照明光が移動スケール２１へ入射されるため、例えば回折格子で回折させて照明光を移動スケール２１へ入射する場合に比べて、光量ロスを少なくすることが可能となる。

また、エンコーダ１０Ｄでは、１組のプリズム１７Ｄは、照明光を分割する光学素子と、分割された照明光それぞれを移動スケール２１へ入射させる光学素子とを兼ねている。このため、光学系が単純な構成となり、例えば熱膨張などの不安定要素の影響を低減することが可能となる。

また、本変形例では１組のプリズム１７Ｄを用いたが、これらを一体的に成形した光学素子などを用いてもよいことは勿論である。また、この光学素子は照明光を空間的に分割するとともに、分割された各照明光を移動スケール２１上の同一位置へ入射させる素子であれば、その形状等は特に限定されるものではなく、例えばガラスモールドプレスや、射出成形などで一体成形することで安価に大量生産することができる。

なお、上記実施形態では、移動スケール２１上へ照明光を入射させる際に、偏向用回折格子１９を用いたが、これに限らず、偏向用回折格子１９の代わりに、反射ミラーなどを用いてもよい。

また、上記実施形態では、照明光をスキャンミラー１３を用いて変調する場合について説明したが、照明光の光路上に例えばＥＯＭからなる電気光学素子や、ＡＯＭなどからなる音響光学素子を配置し、これらの素子を駆動することによって照明光の変調を行ってもよい。

また、上記実施形態では、移動スケール２１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２１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２１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、上記実施形態では、偏向用回折格子１９と移動スケール２１など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、上記各実施形態に係るエンコーダは、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、本発明は回転体の回転量を検出するロータリーエンコーダにも好適である。

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。

本発明の実施形態に係るエンコーダ１０の構成を概略的に示す図である。エンコーダ１０Ａの概略的な構成を示す図である。エンコーダ１０Ｂの概略的な構成を示す図である。エンコーダ１０Ｃの概略的な構成を示す図である。エンコーダ１０Ｄの概略的な構成を示す図である。

符号の説明

１０,１０Ａ,１０Ｂ,１０Ｃ,１０Ｄ…エンコーダ、１１…光源、１３…スキャンミラー、１５…コリメータレンズ、１７…三角プリズム、１７Ａ,１７Ｂ,１７Ｄ…プリズム、１７Ｃ…ブレーズ回折格子、１９…偏向用回折格子、２１…移動スケール、２３…受光素子。

Claims

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移動スケールと；
前記照明光を、第１照明光と第２照明光とに空間的に分割して、前記第１照明光と前記第２照明光とを、前記移動スケールのパターン上に重ねて照射する光学系と；を備えるエンコーダ。
前記光学系は、
前記照明光を、第１照明光と第２照明光とに空間的に分割する分割素子と；
前記第１照明光と前記第２照明光とを、前記移動スケールのパターン上に重ねて照射する光学素子と；を含むことを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ。
前記分割素子は、前記照明光を分岐するプリズムであることを特徴とする請求項３に記載のエンコーダ。
前記分割素子は、少なくとも一部が前記照明光の照明領域に配置された異なる２つの面を含むプリズムであることを特徴とする請求項２又は３に記載のエンコーダ。
前記分割素子は、少なくとも一部が前記照明光の照明領域に配置された２種類のブレーズ回折格子を含むことを特徴とする請求項２に記載のエンコーダ。
前記光学系は、前記照明光を第１照明光と第２照明光とに分割する光学素子を含み、該光学素子の内部反射によって前記第１照明光と前記第２照明光とを、前記移動スケールのパターン上に重ねて照射することを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ。
前記光学素子は、１組の四角柱状のプリズムを含むことを特徴とする請求項６に記載のエンコーダ。
前記光学系は、前記変調された照明光を空間的に分割することによって前記第１照明光と前記第２照明光とを光学素子の互いに異なる位置に入射させて、前記光学素子を介した前記第１照明光と前記第２照明光とを前記移動スケールの同一位置に入射させる、ことを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載のエンコーダ。