JP5500075B2 - エンコーダ - Google Patents
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Description
本願は、2008年10月23日に出願された特願2008−273166号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
また、スキャン式のエンコーダ一として、光源からのレーザ光を、第1の回折格子で±1次光に分離し、第2の回折格子で分離された±1次光の向きを逆転させて、移動体とともに移動する第3の回折格子に干渉縞を形成する3格子光学系を用いて、干渉状態の干渉光の強度変化に基づき、移動体の移動量を検出する技術がある(特許文献2)。
しかしながら、機械的にミラーを駆動する場合、駆動機構が複雑になるため、装置のコストの増大を招くという問題がある。また、この場合、光源を振動させる構成や、振動ミラーを配置する構成のための設置スペースを必要とするため、装置が大型化する問題がある。
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。図1は、本発明の一実施の形態にかかるエンコーダ1の構成を示す概略図である。本実施形態において、エンコーダ1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(移動格子)の移動方向、移動量、あるいは変位を検出する光学式エンコーダである。
図1に示すとおり、本実施の形態において、エンコーダ1は、光源部11、インデックス格子12、一対のミラー13a、13b、受光素子15、ガラスブロック16と、これら構成部材に対して相対的に変位可能に設けられている移動格子14を有する。
変調部(変調装置)11aは、例えば、光源11bに供給される電流を変化させることによって、光源11bから出射される光の波長を周期的に変化させる。変調部11aは、例えば、光源11bから出射される光の波長λ=850nmを、Δλ=±5nm分だけ変化させることができる。つまり、変調部11aは、光源11bから出射される光の波長をλ=845〜855nmの範囲で変化させることができる。
光源11bは、例えばレーザ光を出射するレーザ素子であって、変調部11aにより変調されたコヒーレントな光を−Y軸方向に向けて出射する。
コリメータレンズ11cは、光源11bから出射された光を受光し、平行光に変換する。
インデックス格子12によって回折された回折光のうち、コリメータレンズ11cからインデックス格子12にそのまま入射し、インデックス格子12から出射した光を第1の光L1とし、ガラスブロック16を透過後、インデックス格子12から出射した光を第2の光L2とする。ここで、第1の光L1は、インデックス格子12から所定の回折角で−X軸方向側に回折された−1次回折光であって、第2の光L2は、インデックス格子12から所定の回折角で+X軸方向側に回折された+1次回折光である。
移動格子14は、例えば、透過型の回折格子であって、第1の光L1および第2の光L2に基づく干渉光を回折し、同一方向(−Y軸方向)、すなわち受光素子15に向けて出射する。
本実施の形態において、ガラスブロック16は、第2の光L2の光路上に配置される。これにより、ガラスブロック16を透過する第2の光L2の光路長は、この屈折率N1および厚さDの大きさに応じて、空気中を透過する第1の光L1の光路長に比べて長くなる。つまり、第2の光L2の光源11bから移動格子14における第2の光路の光路長は、第1の光L1の光源11bから移動格子14における第1の光路の光路長に比べて長くなる。ここで、光路長とは、空間的な距離(行路)に屈折率をかけた光学的距離である。本実施形態において、第1の光L1と第2の光L2との間で、光源部11から移動格子14までの光学的距離が実質的に異なる。本実施形態において、光源部11から移動格子14までの第1の光L1の光路における媒質が第2の光L2のそれと部分的に異なる。
変調部11aにより光の波長が変調された変調光は、光源11bから−Y軸方向に出射される。光源11bから出射された変調光は、コリメータレンズ11cを透過して平行光に変換される。コリメータレンズ11cにより変換された平行光は、一部がそのままインデックス格子12に入射し、インデックス格子12によって第1の光L1に回折される。この第1の光L1は、インデックス格子12から−X軸方向側に偏向して出射する。
一方、コリメータレンズ11cから出射した平行光の他の一部は、ガラスブロック16を透過し、インデックス格子12に入射する。ガラスブロック16を介してインデックス格子12を透過した光は、インデックス格子12により第2の光L2に回折される。この第2の光L2は、インデックス格子12から+X軸方向側に偏向して出射する。なお、第1の光Lおよび第2の光L2は、インデックス格子12の異なる位置から出射している。
移動格子14に入射した第1の光L1および第2の光L2は、移動格子14の回折パターン上において一部が重なり合っており、移動格子14上には周期的に変化する干渉縞が形成される。
つまり、(1)第1の光L1と第2の光L2との位相差を調整することにより、検出される(2)移動格子14の移動情報の精度を高めることができる。なお、ここで検出される移動情報の精度を高めるために設定される位相差は、装置の構造や分解能等が考慮される。
次に、図2,3を参照して、本発明のエンコーダにかかる他の実施の形態について説明する。図2は、第2の実施形態にかかるエンコーダ2の概略斜視図であり、図3は、第2の実施形態にかかるエンコーダ2の概略図である。なお、第1の実施形態と同じ機能・構成を有する構成部材については、同一の符号を付すことにより、詳細な説明は省略する。
図2に示すとおり、エンコーダ2は、光源部20、インデックス格子12、一対のミラー13a、13b、移動格子14、受光素子15を含む。
インデックス格子12は、第1の実施形態と同様、光源部20から受光した光に基づく第1の光L1および第2の光L2を、異なる位置から出射する。
よって、上述の実施形態にと同様に、エンコーダ2は、受光素子15により得られる干渉光の干渉強度を、(1)変調部10aによって与えられた変調および第1の光L1,第2の光L2の光路差に基づく位相差、および(2)移動格子14の移動方向、移動量、あるいは変位に応じて変化させることができる。
次に、図4を参照して、本発明の他の実施の形態について説明する。図4は、第3の実施形態にかかるエンコーダ3の概略図である。なお、第1の実施形態と同じ機能・構成を有する構成部材については、同一の符号を付すことにより、詳細な説明は省略する。
図4に示すとおり、エンコーダ3は、光源部30、インデックス格子12、一対のミラー31a、31b、移動格子14、受光素子15を含む。
ミラー31a、31bは、インデックス格子12と移動格子14との間に配置され、ミラー31aは、反射面がインデックス格子12と移動格子14の面方向(入射面方向又はX−Z面方向)と直交する方向(Y−Z面方向)に配置されている。一方、ミラー31bは、反射面がインデックス格子12と移動格子14の面方向(入射面方向又はX−Z面方向)と斜めに交わる方向に位置されている。ミラー31bは、例えば、図4に示すように、破線で示すミラー31´bの面方向(入射面方向)、すなわち、インデックス格子12と移動格子14の面方向(入射面方向)と直交する面方向から、−X軸方向に角度θ傾いている反射面を有する。
なお、ミラー31aと、この破線で示すミラー31´bとが配置されている状態は、上述のミラー13a、13bが配置されている状態を意味し、第1の光L1および第2の光L2のインデックス格子12から移動格子14における光路長は等しい。以下、このようにインデックス格子12から移動格子14までの光路長が等しくなるように配置されたインデックス格子12、ミラー13a、13bおよび移動格子14の位置関係(図1参照)を、第1の光学位置関係と呼称する。また、図4に示すとおり、インデックス格子12から移動格子14までの、第1の光L1の光路長と、第2の光L2の光路長が異なるように配置されたインデックス格子12、ミラー31a、31bおよび移動格子14の位置関係を、第2の光学位置関係と呼称する。
よって、上述の実施形態と同様に、エンコーダ3は、受光素子15により得られる干渉光の干渉強度を、(1)変調部11aによって与えられた変調および第1の光L1,第2の光L2の光路差に基づく位相差、および(2)移動格子14の移動方向、移動量、あるいは変位に応じて変化させることができる。
次に、図5を参照して、本発明の他の実施の形態について説明する。図5は、第4の実施形態にかかるエンコーダ4の概略図である。なお、第1の実施形態と同じ機能・構成を有する構成部材については、同一の符号を付すことにより、詳細な説明は省略する。
図5に示すとおり、エンコーダ4は、光源部11、インデックス格子12、一対のミラー13a、13b、移動格子14、受光素子15およびガラスブロック40を含む。
よって、ガラスブロック40を透過する光の光路長は、周囲(例えば空気中)を透過する光に比べて長くなる。なお、光路差ΔLは、周囲の屈折率をn1とすると、光路差ΔL=(Lm・N2)−(Lm・n1)となる。
ガラスブロック40は、第1の光L1の光路上あるいは第2の光L2の光路上のいずれか一方に配置されていればよく、また、光を透過し、周囲と異なる所定の屈折率N2を有する媒質であればよく、ガラスからなる構成に限られない。
なお、図5には、インデックス格子12の異なる位置から第1の光L1および第2の光L2が出射される構成のエンコーダを示しているが、本実施の形態はこれに限られず、インデックス格子12に入射される光を、第1の光L1および第2の光L2に分離する構成のエンコーダであってもよい。
次に、図6を参照して、本発明の他の実施の形態について説明する。図6は、第5の実施形態にかかるエンコーダ5の概略図である。なお、第1の実施形態と同じ機能・構成を有する構成部材については、同一の符号を付すことにより、詳細な説明は省略する。
図6に示すとおり、エンコーダ5は、光源部50、インデックス格子12、一対のミラー13a、13b、移動格子14、受光素子15および固定回折格子51を含む。
固定回折格子51は、光源部50と対向する位置に受光面を、インデックス格子12と対向する位置に出射面を有する。固定回折格子51は、受光面が、光源部50から出射された平行光と直交する位置に配置され、出射面が、インデックス格子12の面方向(入射面方向)と斜めに交わる位置に配置されている。つまり、固定回折格子51は、インデックス格子12との間の第1の光L1の光路長に比べて第2の光L2の光路長が長くなるように、第1の光L1を出射する側が、第2の光L2を出射する側に比べて、インデックス格子12に近づけて配置されている。換言すると、インデックス格子12と固定回折格子51とが互いに面しかつ非平行に配されている。なお、エンコーダ5が、2つの格子12、51を含むインデックス格子を含むと言うこともできる。
次に、図7を参照して、本発明の他の実施の形態について説明する。図7は、第6の実施形態にかかるエンコーダ6の概略図である。なお、本実施形態において、エンコーダ6は、上述の全ての実施形態にかかるエンコーダに適用可能であり、ここでは、第2の実施形態にかかるエンコーダ2に適用した例を用いて説明する。このため、エンコーダ2と同じ機能・構成を有する構成部材については、同一の符号を付すことにより、詳細な説明は省略する。
図7に示すとおり、エンコーダ6は、光源部20、インデックス格子12、一対のミラー13a、13b、移動格子14、受光素子15、ハーフミラー60、補償格子61および受光素子62を含む。
つまり、受光素子62は、移動格子14上に形成される干渉縞の移動を、補償格子61を介して検出することができる。よって、この補償信号を用いて補償装置等により所定の信号処理することで、移動格子14の所定の移動方向(X軸方向)の変位の計測安定性を向上に役立てることができる。
本発明においては、既に述べた通り、光源から射出される光の波長を周期的に変調する。そのために光源に供給する電流を変調する場合には、波長の変調に加えて光量の変調も伴う。波長を変調する度合いは小さいので、光量の変調は小さいが、このような光量の変調を除去する必要が生じることも考えられる。以下、図8を参照して、そのための実施形態について説明するが、このことは上述した全ての実施形態にかかるエンコーダに対して適用可能である。なお、本実施形態のエンコーダ7は、第1の実施形態にかかるエンコーダ1に適用した例を用いて説明する。このため、エンコーダ1と同じ機能及び構成を有する構成部材については、同一の符号を付すことにより、詳細な説明は省略する。
図8に示すように、エンコーダ7は、光源部11、インデックス格子12、一対のミラー13a、13b、受光素子15、ガラスブロック16と、これら構成部材に対して相対的に変位可能に設けられている移動格子14と、光量補正部63およびGCA(ゲインコントロールアンプ)64を有する。光量補正部64及びGCA64を含んで光量補償系が構成される。
GCA64は、受光素子15と接続され、光量補正部63からの制御信号に基づき、受光素子15から受信した光電変換信号の出力電圧のレベルを調整し、光量の変化によるばらつきを補正した信号を出力する。
また、上記変化によるばらつきを考慮しない場合、光量センサは必要なく、光量補正部63は、変調部11aから供給される電流の変化を表す信号を受信し、この電流変化を表す信号に基づき、GCA64を制御する構成であってもよい。
また、このような構成により、受光素子15から出力される光電変換信号の出力電圧レベルが不安定となる事態を回避することができる。
11 光源部
11a 変調部
11b 光源
11c コリメータレンズ
12 インデックス格子
13a,13b ミラー
14 移動格子
15 受光素子
16 ガラスブロック
20 光源部
30 光源部
31a,31b ミラー
40 ガラスブロック
50 光源部
51 固定回折格子
60 ハーフミラー
61 補償格子
62 受光素子
Claims (16)
- 波長が周期的に変化する光を平行に出射する光源部と、
光源部から出射された光を受光し、第1の光および第2の光を出射する第1の光学部材と、
前記第1の光学部材により出射された前記第1の光および前記第2の光が重なるように、前記第1の光または前記第2の光の進行方向を変える第2の光学部材と、
前記第1の光および前記第2の光が重なる位置に配置され、前記光源部、前記第1の光学部材および前記第2の光学部材に対して相対的に変位し、変位による移動方向に沿って周期的に形成された回折格子を有する回折格子部材と、
前記回折格子部材から出射される前記第1の光および前記第2の光の干渉光を受光し、この干渉光の干渉強度を検出する第1の受光部とを備え、
前記第1の光の前記光源部から前記回折格子部材における第1の光路の光路長と、前記第2の光の前記光源部から前記回折格子部材における第2の光路の光路長とが、異なり、
前記第1の光学部材は、前記第1の光および前記第2の光を異なる位置から出射し、
前記光源部と前記第1の光学部材の間の光路上に配置され、前記光源部から出射された光の進行方向を変えるとともに、異なる位置から前記第1の光と前記第2の光を出射する第3の光学部材をさらに備えることを特徴とするエンコーダ。 - 波長が周期的に変化する光を平行に出射する光源部と、
光源部から出射された光を受光し、第1の光および第2の光を出射する第1の光学部材と、
前記第1の光学部材により出射された前記第1の光および前記第2の光が重なるように、前記第1の光または前記第2の光の進行方向を変える第2の光学部材と、
前記第1の光および前記第2の光が重なる位置に配置され、前記光源部、前記第1の光学部材および前記第2の光学部材に対して相対的に変位し、変位による移動方向に沿って周期的に形成された回折格子を有する回折格子部材と、
前記回折格子部材から出射される前記第1の光および前記第2の光の干渉光を受光し、この干渉光の干渉強度を検出する第1の受光部とを備え、
前記第1の光の前記光源部から前記回折格子部材における第1の光路の光路長と、前記第2の光の前記光源部から前記回折格子部材における第2の光路の光路長とが、異なり、
前記第1の光学部材は、前記第1の光および前記第2の光を異なる位置から出射し、
前記光源部から出射される光は、前記第1の光学部材の入射面方向に対して斜めに交わる方向から、前記第1の光学部材に入射することを特徴とするエンコーダ。 - 波長が周期的に変化する光を平行に出射する光源部と、
光源部から出射された光を受光し、第1の光および第2の光を出射する第1の光学部材と、
前記第1の光学部材により出射された前記第1の光および前記第2の光が重なるように、前記第1の光または前記第2の光の進行方向を変える第2の光学部材と、
前記第1の光および前記第2の光が重なる位置に配置され、前記光源部、前記第1の光学部材および前記第2の光学部材に対して相対的に変位し、変位による移動方向に沿って周期的に形成された回折格子を有する回折格子部材と、
前記回折格子部材から出射される前記第1の光および前記第2の光の干渉光を受光し、この干渉光の干渉強度を検出する第1の受光部とを備え、
前記第1の光の前記光源部から前記回折格子部材における第1の光路の光路長と、前記第2の光の前記光源部から前記回折格子部材における第2の光路の光路長とが、異なり、
前記第2の光学部材は、
前記第1の光学部材の入射面方向と直交する方向に位置された反射面を有し、前記第1の光を反射させて進行方向を変える第1の反射部材と、
前記第1の光学部材の入射面方向と斜めに交わる方向に位置された反射面を有し、前記第2の光を反射させて進行方向を変える第2の反射部材とを含むことを特徴とするエンコーダ。 - 波長が周期的に変化する光を平行に出射する光源部と、
光源部から出射された光を受光し、第1の光および第2の光を出射する第1の光学部材と、
前記第1の光学部材により出射された前記第1の光および前記第2の光が重なるように、前記第1の光または前記第2の光の進行方向を変える第2の光学部材と、
前記第1の光および前記第2の光が重なる位置に配置され、前記光源部、前記第1の光学部材および前記第2の光学部材に対して相対的に変位し、変位による移動方向に沿って周期的に形成された回折格子を有する回折格子部材と、
前記回折格子部材から出射される前記第1の光および前記第2の光の干渉光を受光し、この干渉光の干渉強度を検出する第1の受光部とを備え、
前記第1の光の前記光源部から前記回折格子部材における第1の光路の光路長と、前記第2の光の前記光源部から前記回折格子部材における第2の光路の光路長とが、異なり、
前記回折格子部材と同一の回折格子を有し、前記光源部、前記第1の光学部材および前記第2の光学部材に対して一定の位置関係を保持するとともに前記回折格子に対して相対的に変位する補償回折格子部材と、
前記第2の光学部材と前記回折格子部材との間の光路上に配置され、前記第2の光学部材から受光した前記第1の光および前記第2の光をそれぞれ分離し、分離された前記第1の光および前記第2の光に基づく一方の光を前記回折格子部材に対して重なるように出射し、分離された前記第1の光および前記第2の光に基づく他方の光を前記補償回折格子部材に対して重なるように出射する第4の光学部材と、
前記補償回折格子部材から前記第1の光および前記第2の光に基づく干渉光を受光し、
この干渉光の干渉強度を検出する第2の受光部とをさらに備えることを特徴とするエンコーダ。 - 波長が周期的に変化する光を平行に出射する光源部と、
光源部から出射された光を受光し、第1の光および第2の光を出射する第1の光学部材と、
前記第1の光学部材により出射された前記第1の光および前記第2の光が重なるように、前記第1の光または前記第2の光の進行方向を変える第2の光学部材と、
前記第1の光および前記第2の光が重なる位置に配置され、前記光源部、前記第1の光学部材および前記第2の光学部材に対して相対的に変位し、変位による移動方向に沿って周期的に形成された回折格子を有する回折格子部材と、
前記回折格子部材から出射される前記第1の光および前記第2の光の干渉光を受光し、この干渉光の干渉強度を検出する第1の受光部とを備え、
前記第1の光の前記光源部から前記回折格子部材における第1の光路の光路長と、前記第2の光の前記光源部から前記回折格子部材における第2の光路の光路長とが、異なり、
前記第1の光学部材と前記回折格子部材との間において前記第1の光から分離された第3の光と前記第2の光から分離された第4の光とが入射する補償格子と、
前記第3の光と前記第4の光とに基づく干渉光を検出する第2の受光部と、を備える、
ことを特徴とするエンコーダ。 - 前記第1の光学部材は、前記第1の光および前記第2の光を異なる位置から出射し、
前記第1の光路上あるいは前記第2の光路上のいずれか一方の光路上であって、前記光源部と前記第1の光学部材との間に配置され、所定の屈折率を有する透過性部材をさらに備えることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載のエンコーダ。 - 前記第2の光学部材は、
それぞれ前記第1の光学部材の入射面方向と直交する方向に位置された反射面を有し、
前記第1の光および前記第2の光を、それぞれ反射させて進行方向を変える第1の反射部材および第2の反射部材を含み、
前記第1の光路上あるいは前記第2の光路上のいずれか一方の光路上であって、前記第1の光学部材と前記回折格子部材との間に配置され、所定の屈折率を有する透過性部材をさらに備えることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載のエンコーダ。 - 前記光の波長変化に伴う光量変化を補償する、ことを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか一項に記載のエンコーダ。
- 波長が周期的に変化する光を射出する光源部と、
前記光源部から射出された前記光のうち第1の光と第2の光とに基づく第1の干渉光を受光する第1の受光部と、を備え、
前記第1の光と前記第2の光との光路長差は、前記波長が周期的に変化することに応じて変化することを特徴とするエンコーダ。 - 前記第1の光から分離された第3の光と前記第2の光から分離された第4の光とに基づく第2の干渉光を受光する第2の受光部、を備えることを特徴とする請求項9に記載のエンコーダ。
- 前記第1の光を前記第3の光に分離し、前記第2の光を前記第4の光に分離する光学部材、を備えることを特徴とする請求項10に記載のエンコーダ。
- 前記第3の光と前記第4の光との光路長差は、前記波長が周期的に変化することに応じて変化することを特徴とする請求項10又は請求項11に記載のエンコーダ。
- 前記第3の光と前記第4の光とが入射する補償格子を備え、
前記第2の受光部は、前記第2の干渉光に基づく補償信号を補償装置に出力すること
を特徴とする請求項10に記載のエンコーダ。 - 前記第1の干渉光に基づき前記光の光量を補償する光量補償系を備えること
を特徴とする請求項9に記載のエンコーダ。 - 前記光源部と前記第1の受光部との光路の間に配置され、前記光源部及び前記第1の受光部に対して相対的に変位し、前記第1の光と前記第2の光とが入射する移動格子を備えること
を特徴とする請求項9又は請求項10に記載のエンコーダ。 - 前記光源部は、前記波長を周期的に変化させる変調部を含むこと
を特徴とする請求項9又は請求項10に記載のエンコーダ。
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