JP5046780B2 - 光エンコーダ - Google Patents
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Description
特許文献1には、ほとんどの従来のシステムよりもコンパクトで、利用する部品が少ない1つの最新のシステムが開示される。しかしながら、結果として形成されるエンコーダは依然として、多くの用途にとって、比較的大きなサイズ、又は使用できないほど大きなサイズを有する。
特許文献2には、受光体として光ファイバを利用する非常にコンパクトなシステムが開示される。ここに開示されるシステムは、コードメンバスケールと、コードメンバ測定軸に沿って接近して配置される光ファイバ先端発光体及び2つの光ファイバ先端受光体を含む光センサヘッドとを有する。光センサヘッドは、2つの光ファイバ先端受光体間の位相差を調整するように回転する(左右に揺れる)。しかしながら、結果として形成されるエンコーダは比較的粗い。
特許文献3には、受光体として光ファイバを利用する別の光エンコーダが開示される。ここに開示されるシステムは、縞模様の端部を有する光ファイバを含み、それらの端部は、相対的に移動可能なコードチャネルパターンと向かい合って配置され、ファイバの直径ではなく、縞幅に相当する動きを検出できるようにする。しかしながら、結果として形成されるエンコーダの精度及び分解能は依然として、干渉式エンコーダによって与えられる精度及び分解能と比べて、且つ多数の用途の場合に必要とされる精度及び分解能よりも相対的に粗い。
しかしながら、前述した特許文献1〜3など既知の干渉式光エンコーダは、数多くの用途にとって十分にコンパクトではないか、又は可能な出力周波数及び動作速度、若しくは両方を制限する電子工学的な検出器を利用するものであった。
読取りヘッドはさらに、ソース光を回折させて、少なくとも+/−1次のソース光ビームに分割するソース格子と、+/−1次のソース光ビームを受光及び反射して、スケール格子に向かって集光するように配列され、スケール格子によって回折した+/−1次のスケール光ビームをさらに受光及び反射して、それらのビームが、光源及び光ファイバ検出器チャネルに向かって集光して戻るようにする一対のミラーとを備える。
読取りヘッドは、集光する+/−1次のスケール光ビームを受光及び回折させて、所望のフリンジピッチを有する干渉照明フィールドを生成する、干渉フィールド生成格子をさらに備える。干渉照明フィールド内のフリンジの動きは、スケールと読取りヘッドとの間の相対変位に相当し、光ファイバ検出器チャネルによって検出されて、変位測定情報を与える。
本発明において、光ファイバエンコーダ読取りヘッドは、変位値を求めるために一緒に処理される信号を与えるレシーバチャネル開口が、測定軸に沿って概ね位置合わせされるように構成することができる。それらの開口は、最大1.0ミリメートル、0.75ミリメートル、0.5ミリメートル、0.1ミリメートル又はそれよりも小さい、測定軸方向に対して垂直な方向に沿った寸法を有する領域内に位置合わせすることができる。変位値を求めるために一緒に処理される信号を与えるレシーバチャネル開口は、測定軸方向に沿って、最大1.5ミリメートル、1.0ミリメートル又はそれよりも小さな寸法内に配置することができる。
本発明において、3つ一組から成る、少なくとも2組の光ファイバ検出器チャネルをそれぞれ個別に信号処理して、それぞれの変位測定値を求めることができる。その後、それぞれの変位測定値を平均して、1つの変位測定値を求めることができ、その測定値は、それぞれの変位測定値内に存在することがある一定の誤差を補償することができる。
本発明において、4つ一組から成る、少なくとも2組の光ファイバ検出器チャネルをそれぞれ個別に信号処理して、それぞれの変位測定値を求めることができる。その後、それぞれの変位測定値を平均して、1つの変位測定値を求めることができ、その測定値は、それぞれの変位測定値内に存在することがある一定の誤差を補償することができる。
本発明において、光ファイバエンコーダ読取りヘッドの種々の実施の形態は、特に経済的で、正確で、且つコンパクトに構成される。
本発明において、光ファイバ読取りヘッドとスケール格子との間の読取りヘッド光路を偏向し、スケールに対して読取りヘッドの操作可能な取付け向きが変更されるようにするために、光偏向素子を設けることができる。
これらにより、本発明は、従来技術の光学的な変位検出デバイスの問題点を克服し、超小型で、高精度で、経済的で、且つ迅速な構成による新たな応用形態への可能性を提供する。
図1は、本発明に従って用いることができる光ファイバレシーバチャネル配列100の第1の包括的な実施形態を示す。
図1に示されるように、光ファイバレシーバチャネル配列100は、3つの光ファイバレシーバチャネル190A、190B及び190Cを含む。光ファイバレシーバチャネル190Aは、レシーバチャネル開口110Aと、位相マスク120Aと、レシーバ光ファイバ130Aとを備える。同様に、光ファイバレシーバチャネル190Bは、レシーバチャネル開口110Bと、位相マスク120Bと、レシーバ光ファイバ130Bとを備える。同様に、光ファイバレシーバチャネル190Cは、レシーバチャネル開口110Cと、位相マスク120Cと、レシーバ光ファイバ130Cとを備える。
図1に示されるタイプの光ファイバレシーバチャネル配列のいくつかの細部は米国特許出願公開第2005/0068539号を参照して実施することができる。種々の光ファイバ読取りヘッドの特徴及び設計原理に関しては、米国特許第6,906,315号を参照して実施することができる。
種々の他の例示的な実施形態では、レシーバチャネル開口110は、コンパクトな屈折レンズ又は回折レンズであり、そのレンズは、位相マスク120を通じて入射する照明を収集し、その光を集光して、レシーバ光ファイバ130の端部に誘導する。各光ファイバレシーバチャネル190のレシーバチャネル開口110、位相マスク120及びレシーバ光ファイバ130の端部は、接着又は他の適切な方法によって、互いに一定の関係で固定される。
例示的なアセンブリ部品及びアセンブリ方法については、後述する。
図2及び図3では、種々の機構が誇張された寸法を有することがあるので、それらの機構を、より明らかに見ることができる。干渉式エンコーダが、変位を指示する動くフリンジを与える基本原理はよく知られており、本明細書では詳細には説明されない。
ソース格子85は、スケール格子80に対して概ね平行に位置合わせされ、ソース格子周期又はソース格子ピッチ86、すなわちPsに従って、測定軸82の方向に沿って周期的に配列される格子素子を含む位相格子にすることができる。後述するように、ソース格子85は、0次及び全ての偶数次の回折を抑圧するように設計される。ソース格子85が0次の透過光を十分に抑圧しない場合には、読取りヘッド配列200は、その残存する0次光を遮断及び/又は吸収する0次遮断素子87を備えることがある。
ソース光250は、一般的には単色又は準単色であり、名目的な波長λを有する。ソース光250内の光線は全体として互いに発散し、発散半角DAの正弦は一般的に「光源の開口数NA」と呼ばれる。一般的に、読取りヘッド配列200において与えられる種々の光ビームは、各ビーム内に発散する光線を含む。
ソース格子85は、受光したソース光250を回折させて、少なくとも+/−1次(+1次及び−1次の意味、以下同様)のソース光ビーム154A及び154Bに分割する。分割された+/−1次のソース光ビーム154A及び154Bはそれぞれ、ソース光軸251に対して半角αを形成する名目的な光路に従う。その後、ソース光ビーム154A及び154Bは、サイドミラー88A及び88Bによって反射され、それぞれビーム254A及び254Bとしてスケール格子80に向かって集光し、それらのビームは照明スポット253においてスケール格子80を照明する。
この場合のS偏光は、測定軸に対して平行に、すなわち個々のスケール格子の溝又はバーの方向に対して垂直を対象とする最大電界成分を有するものと定義される。そのような構成は、良好な回折効率を与えるために、スケール格子ピッチが1.5マイクロメートル程度に、若しくは1.0マイクロメートル程度に小さいか、又はそれよりも小さいときに特に有利なことがある。さらに、これは、スケール格子80において0次反射を抑圧するのを助けることもできる。このような構成では、ソース光250は、偏光光ファイバ又は偏光保持光ファイバによって与えられ、ソース光250は、光ビーム254A及び254Bがスケール格子80の平面に対して概ねS偏光されるように偏光される。
図2に示されるように、スケール光ビーム255A及び255Bとして、+/−1次の回折次数が回折及び反射される。スケール格子80が細かいピッチ(例えば0.6マイクロメートル未満、特に約0.5マイクロメートル以下)を有するときに、スケール格子からの2次、3次及びそれよりも高次の回折が次第に消えていくことがあるか、又はそれらの回折が、読取りヘッドのレシーバチャネルに達することができないようする光路に従うように読取りヘッド配列200を構成することができる。同様に、後にさらに説明するように、スケール格子80からの0次反射が、読取りヘッドのレシーバチャネルに達することができないようにする光路に従うように、読取りヘッド配列200を構成することができる。
すなわち、図2及び図3に示される構成では、スケール格子80が、測定軸に沿って、増分Pgだけ動くとき、干渉照明フィールド92内の干渉フリンジ266は、位相マスク120に対して2*(Pif)の増分だけ動く。
図4のスケール格子は、0次反射を抑圧するように設計される。スケール格子80は、基板81上に形成される反射性の位相格子であり、測定軸82に沿って位置合わせされる。スケール格子80は、Y軸の方向に沿って、測定軸82に対して垂直に延在し、凹形要素Gによって分離される格子要素Eを含む。格子要素Eは、格子ピッチPgに従って、測定軸82に沿って周期的に配列される。格子要素Eはそれぞれ、測定軸82の方向に沿って幅WEを有し、一方、凹形要素Gはそれぞれ、幅WGを有する。また格子要素Eは、Z軸の方向に沿って、高さHEを有する。
例えば、スケール格子80は、長方形の格子要素E及び凹形要素Gの両方の上に反射コーティング、例えばクロムをコーティングされ、0次反射光の弱め合う干渉を引き起こす高さHE、例えばソース光の波長の1/4の高さを有する反射性位相格子として形成することができる。ここで、50%のデューティサイクル、すなわちWGとWEとがに概ね等しいとき、0次反射光の抑圧が最大となり、さらに偶数回折次数の残存する光も抑圧することができる。0次反射抑圧は、垂直な方向に沿って格子に入射するビームの場合に非常に有効である。それゆえ、ソース光250のうちのある部分が、ソース格子85からスケール格子80に直に送光される場合には、それらの部分は、本発明による読取りヘッドの所望の動作を妨げるように反射して戻されないように、概ね抑圧されることがある。
図1〜図3に関して上述した特定の機能的な特徴は、図5(A)及び図5(B)においても同様の番号を付されることがある。先に記述された一定の機構の特定の例示された実施形態も同様の番号を付されることがあるが、「ダッシュ」が追加される。特定の機構を見やすくすることができるように、図5(A)及び図5(B)では、種々の寸法、例えば寸法94が誇張されていることがある。
図5(A)において、光ファイバ読取りヘッド200’は、光ファイバ空間位相マスクアセンブリ1000を含み、それは、位相マスク素子161に隣接する複数の光ファイバレシーバチャネル190を備え、その位相マスク素子は、隣接する表面上にある空間位相マスク120と、光ファイバ光源280とを含む。
光源280は、位相マスク素子161を通って、ソース光軸251に概ね沿って発散するソース光250を放射し、ソース光は、DAの発散半角で破線252及び253によって概略的に示されるように発散する。ソース光は名目的な波長λを有する。ソース光250は、ソース格子85によって回折し、所望の+1及び−1次ソース光ビーム154A及び154Bに分割される。
一般に、名目的な入射角φはリトロー角にすることができるが、他の角度が用いられることがある。ブロック89の表面90は、内部反射を抑圧する反射防止コーティングを有することができる。入射角がブルースター角に近く、先に略述されたようにS偏光が用いられる場合には、スケール格子80から回折した後に、光ビームが光学ブロック89に再び入射する場合に、概ねブルースター条件を満たすことができる。これは、表面90上の反射防止コーティングを不要にすることができる。
一般的に、格子95は干渉照明ゾーン92内に配置され、読取りヘッド200’は、干渉照明ゾーン92及び格子95の両方の場所及びサイズによって、フリンジピッチPifを有する干渉フリンジ266が、読取りヘッド200’に含まれる各光ファイバレシーバチャネル190、例えば例示されるチャネル190A及び190B等の入力開口全体を照明することが保証されるように構成される。
ソース格子85の寸法「Lc」は、寸法Lif及びHifが約1mm程度の場合があるのに比べて、それより十分に小さく、例えば50μm〜200μmにすることができる。このため、ソース格子85は、概ねそれを取り囲むことができる光ファイバレシーバチャネル190の近くで干渉フリンジ266の動きの検出を妨げる必要はない。本実施形態において、格子85及び格子95は、互いに異なるように構成することができるので、後述されるようにそれぞれその機能を最適に果たす。なお、スケール格子ピッチが約0.8マイクロメートル以上のとき、干渉フィールド生成格子95及びソース格子85の両方に対して同じ格子を用いることができる。
透過性の位相格子を用いた格子85,95は、既知の技法(例えば米国特許第4,426,130号公報)に従って、0次及び偶数次の透過を抑圧するように形成することができる。この公報には、1次回折次数以外の全ての有意な次数を実効的に抑圧する透過性格子が開示されている。代替的に、現在、種々のカスタム格子供給業者が、実効的には、単に全ての入射する光線を偏向して、所望の名目的な角度βで透過させるカスタム回折光学素子又はホログラフィック格子を提供することができる。一般に、前述した既知の技法を用いて、光学ブロック89の表面の中部又は上部に直接、あるいは所望により反射防止コーティング上に、適宜格子85,95を形成することができる。そのような構成では、基板105は省くことができる。
位相マスク素子161は、光ファイバ130に隣接する表面上に全ての光ファイバレシーバチャネル190の位相マスクを含む透過性の基板を含むことができる。一般に、位相マスク素子161の他の表面は、格子85,95に隣接するように固定することができる。そのような構成では、寸法94(発散ギャップ)は、位相マスク素子161の厚みと概ね同じにすることができ、所望により、読取りヘッド200’全体を安定したブロックタイプの素子として形成するか、又は組み立てることができる。この際、ソース格子85が望みどおりに動作するように、ソース光を発散させて、ソース格子85の周期に十分に広がることを確認することが望ましい。さらに、先に示されたように、所望の回折角を経済的に与えるために、格子の溝が空気で満たされ、屈折率が高い材料(例えば、接着剤等)で満たされないように、格子85,95を製造することが望ましい場合がある。
上述のように、スケール格子80ならびに読取りソース格子85,95の構造は、既知の方法に従って、少なくとも0次及び偶数次の回折次数を抑圧するように設計することができる。さらに、光ファイバレシーバチャネル190のレシーバ光ファイバの集合体NAは、+/−1次回折次数よりも高い回折次数からの光が、その光が光ファイバレシーバチャネル190に入射するのを実効的に防ぐ入射角を有するようにすることができる。さらに、読取りヘッドが、(もしあるならば)スケール格子から+/−3次の回折次数を受光するのを避けるように、且つスケール格子80上に角度φで入射するビームの0次反射からの光が、読取りヘッドの動作可能な光路から外れるように、本発明による読取りヘッドを設計し、スケール格子80に対して動作可能に配置することができる。
本発明の他の実施形態として、光学ブロック89に同様の光学ブロックが、光ファイバ読取りヘッド200’と同じようにして動作する光ファイバ読取りヘッドの動作可能光ビームを偏向させる、角度のある鏡面を含む構成とすることができる。
例えば、前述した角度のある鏡面としては、図5(B)に示される破線93’によって示される位置に配置することができる。破線93’より上にある光学ブロックの部分は、そのような実施形態では存在しないことになり、部分93’’を、そのブロックに追加することができる。素子105、85、95及び1000の構成は、(図5(B)において、それらが示される向きに対して)90度だけ、「図5の平面において反時計回りに回転する」ことになり、左上側の表面97’に対して配置し直され、格子がX−Z平面に対して平行になるようにし、向きを変更された光源280からのソース光は、向きを変更されたソース光軸251’に沿って位置合わせされる。そのような他の実施形態については図13を参照しながら後述する。
本実施形態では、個々の組からの信号は、各組が、所望により、位置/変位の個別の計算値を与えるように処理することができる。次に、各列内の2つの組からの変位結果を平均することができる。その後、結果として生成された3つの変位値を用いて、スケール格子に対する読取りヘッドの左右揺れ(Z軸を中心にした回転)の量を指示することができ、且つ/又は、所望により、平均して「最終的な」変位値を与えることができる。こうして、それぞれが位置/変位を個別に求めることが可能な3列もの光ファイバレシーバチャネルを用いて、読取りヘッド位置測定全体をさらに強化することができる。
82…測定軸
83…フリンジピッチ
84…スケール格子周期
85…ソース格子
86…ソース格子ピッチ
87…光遮断素子
87’…光遮断ブロック
88A,B…サイドミラー
89…光学ブロック
95…干渉フィールド生成格子
96…干渉フィールド生成格子ピッチ
98,99…レシーバチャネル配列
100…光ファイバレシーバチャネル配列
105…格子基板
110,110A〜C…レシーバチャネル開口
120,120A〜C…空間位相マスク
130,130A〜C…レシーバ光ファイバ
154A,B…ソース光ビーム
155A,B…光路
160…受光面
161…位相マスク素子
190,190A〜C…光ファイバレシーバチャネル
191…光信号
200…ヘッド配列
250…ソース光
251…ソース光軸
253…照明スポット
254A,B…スケール光ビーム
265…光線
266…干渉フリンジ
280…光ファイバ光源
600,700…アセンブリハウジング
800…ヘッド
805…リモート電子インターフェースユニット
870…光源光ファイバ
877…光源
893…制御ユニット
895…ヘッドケーブル
1000…光ファイバ空間位相マスクアセンブリ
1010…光ファイバレシーバ開口
1020…位相マスク
1021…マスク格子バー
1030…レシーバ光ファイバ
1061…位相マスク素子
1062…表面
1063…リング
1064…開口
1065…基板
1070…ソースファイバ
1080…光ファイバ光源
1090A〜C…光ファイバレシーバチャネル
1610A〜C…レシーバチャネル開口
1620A〜C…位相マスク
1630X…ダミー光ファイバ
1630A〜C…レシーバ光ファイバ
1661…位相マスク素子
1670,1680…ソース光ファイバ
1690,1690A,B…光ファイバレシーバチャネル
2000…ヘッド
Claims (4)
- 2つの部材間の相対的な変位を測定するための光エンコーダであって、
(1)測定軸方向に沿って形成されるスケール格子パターンを有するスケールと、
(2)前記スケール格子パターンに対してフリンジピッチPifを有する一組の干渉フリンジを生じるように配置され、かつ光ファイバ読取りヘッドが前記測定軸方向に沿って前記スケールに対して相対移動した際に前記干渉フリンジが前記光ファイバ読取りヘッドに対して相対移動する光ファイバ読取りヘッド配列と、を備え、
前記光ファイバ読取りヘッド配列は、
(a)発散するコヒーレント光ビームを与える開口数NAを有する光源と、
(b)前記発散するコヒーレント光ビームを入力され、発散する光線を含みかつ回折角αで+1次及び−1次のソース光ビームを出力するソース格子と、
(c)前記+1次及び−1次のソース光ビームを前記スケール格子パターンに向かって集束する経路へと反射し、前記スケール格子パターンで回折されて各々の経路に沿って戻る+1次及び−1次のスケール光ビームを受光し、前記+1次及び−1次のスケール光ビームを反射して前記ソース格子に隣接する干渉照明フィールド内に集束させるように構成された一対の反射表面と、
(d)前記干渉照明フィールドにおいて、第1の名目的な角度αで少なくとも前記+1次及び−1次のスケール光ビームを受光し、かつ第2の名目的な角度βで前記ビームを出力して前記フリンジピッチPifを有する前記一組の干渉フリンジを生成する干渉フィールド生成格子と、
(e)前記フリンジピッチPifを有する前記一組の干渉フリンジから光を入力するように構成される複数の光ファイバレシーバチャネルと、
を備え、
前記光ファイバレシーバチャネルはそれぞれ、
(i)所定の空間位相を有しかつ前記フリンジピッチPifである前記一組の干渉フリンジの光を空間的にフィルタリングするために操作可能なピッチで配列される光遮断素子を有するレシーバチャネル空間位相マスク部分と、
(ii)前記一組の干渉フリンジから前記空間位相マスク部分を通して空間的にフィルタリングされた光を受光するように配置された入力端を有する少なくとも1つのレシーバチャネル光ファイバと、
を備え、
前記フリンジピッチPifを有する前記一組の干渉フリンジを生成する前記光は、前記複数の光ファイバレシーバチャネルからの光路の全長にわたって互いに連続的に発散する光線を含む干渉ビームを含み、
前記読取りヘッドが前記スケール格子パターンに対して操作可能に配置されるときに、前記複数の光ファイバレシーバチャネルのうちの少なくとも第1および第2のチャネルは、前記一組の干渉フリンジの前記光を空間的にフィルタリングして、少なくとも第1および第2の信号位相をそれぞれ有する少なくとも第1および第2のレシーバチャネル光信号を与え、
前記光エンコーダは、前記少なくとも第1および第2のレシーバチャネル光信号をそれぞれの光ファイバに沿って出力し、複数の光出力信号の形で相対変位測定情報を与える
ことを特徴とする光エンコーダ。 - 請求項1に記載した光エンコーダにおいて、
前記スケール格子に向かって集束する前記経路へと反射される前記+1次及び−1次のソース光ビームが、前記スケール格子に対してS偏光された光を含むことを特徴とする光エンコーダ。 - 請求項2に記載した光エンコーダにおいて、
前記スケール格子は、最大1.5マイクロメートルであるピッチを有することを特徴とする光エンコーダ。 - 請求項1に記載した光エンコーダにおいて、
前記スケール格子は、最大2マイクロメートルであるピッチを有し、前記読取りヘッドは光学ブロックを含み、また、該読取りヘッドは、前記スケール格子に向かって集束する前記経路に沿って反射される前記+1次及び−1次のソース光ビームに含まれる光が、反射された後に、前記光学ブロックの材料の中を通る経路に従い、前記スケール格子に達する前に、該光学ブロックの表面から現われるように構成されることを特徴とする光エンコーダ。
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