JPH01232214A - エンコーダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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ｒに可干渉性光束を入射させ該回折格子からの回折
光を互いに干渉させて干渉縞を形成し、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タに関するものである。

（従来の技術） 近年ＮＣ工作機械や半導体焼付装置等の鯖密機械におい
ては１μｍ以下（サブミクロン）の単位て測定すること
のできる績密な測定器が要求されている。

従来よりサブミクロンの単位で測定することのできる測
定器としては、レーザー等の可干渉性光束を用い移動物
体からの回折光より干渉縞な形成させ、該干渉縞を利用
したロータリーエンコーダやリニアエンコーダが良く知
られている。

特に最近か面述の各種の機器の高績密化により、より高
分割能なエンコーダか要望されている。

本出願人は先に例えば特開昭６２−１！Ｊ３９２２号公
報や特開昭６２−１９３９２３号公報等で可干渉性光束
と回折格子を用い被測定物体の回転状態や直線移動状態
等を高粒度に検出することのできるエンコーダを提案し
た。

同公報ではレーザー等の光源からの可干渉性光束を複数
に分割し、回転物体や直線移動物体に連結されている回
折格子に入射させている。

そして該回折格子から生ずる複数の回折光を互いに干渉
させることにより干渉縞を形成し、該干渉縞の数を受光
手段により検出することにより、該回折格子の移動状態
を高精度に求めたエンコーダを開示している。

この場合、受光手段からの出力信号が常に安定して得ら
れるような構成とすることが高精度な検出を行う為に重
要となっている。

しかしながら回折格子の製造誤差やレーザーとして例え
ば半導体レーザーを用いたりすると波長が温度により変
化したり、周囲環境変化により出力値が変動したりして
、一般には受光手段から常に安定した出力信号を得るこ
とは大変難しい。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は本出願人か先に提案した、例えば前述のエンコ
ーダを更に改良し、回折格子から生ずる複数の回折光を
互いに干渉させて形成した干渉縞の強度分布を高精度に
検出することが出来、被測定物の回転状態や移動状態等
を常に安定して高精度に求めることのできるエンコーダ
の提供を目的とする。

（問題点を解決するための手段） 光源からの可干渉光を移動可能な回折格子に導光し、該
回折格子からの複数の回折光を重ね合わせ、該重ね合わ
した光束を受光手段で受光し、該受光手段からの出力信
号を利用して該回折格子の移動状態を検出する際、前記
重ね合わされた光束の少なくとも一部の強度を検出し、
検出結果に応じて得られる信号に基づいて制御手段によ
り前記光源からの出力光量を制御したことである。

（実８６例） 第１図は本発明の−・実施例の主要部をブロック化した
概略図、第２図は本発明をロータリーエンコーダに適用
したときの一実施例の光学系の概略図である。

第１図、第２図においてｌは光源（例えば半導体レーザ
ー等の可干渉性を有するレーザー）、２は光源１から出
射する光束を平行光束にするコリメータレンズ、３は２
個の台形プリズム３１゜３２を貼合わせてなる光学部品
、４は第１光分割手段であり光学部品３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面を行
っている。５及び７は第１光学手段としての反射鏡、６
は被測定回転物体としての回転円板上に設けた放射格子
（回折格子）、８及び１０は１／４波長板である。９及
び１１は反射手段であり、例えばキャッツアイ光学系か
らなっている。１２は１７４波長板、１３は光分割器、
１４及び１６は偏光板５１５及び１７は第１受光手段と
しての受光素子である。又、０は放射格子６の中心、Ｍ
Ｉ。

Ｍ２は放射格子６の周囲上の任意の点を示す。

２１は回折光干渉手段でコリメータレンズ２から１／４
波長板１２までの各要素を１つにまとめてブロック化し
たものである。２２は第２光分割手段でありハーフミラ
−から成っている。２３は第２受光手段、２４は制御手
段である。

本実施例ては光［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３をなす台形プ
リズム３．の斜面で反射させた後、光分割面４へ所定の
角度で入射するように指向する。光分割面４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
４の直交偏波面に対゛し、所定の方向（通常４５０）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３．．３２内で各々２
度反射し、光学部品３を出射し反射鏡５又は７により放
射格子６の所定の位置Ｍ１及びＭ２へ所定の入射角で入
射する。放射格子６で回折した透過回折光のうち特定状
°数の回折光を、１／４波長板８、又は１０を介して反
射手段９、又は１１により反射させ、同一光路を逆行さ
せる。そして、放射格子６の略凹−位置Ｍ１及びＭ２へ
再入射させ、ここで再回折された特定次数の回折光を反
射鏡５、又は７で反射させ同一光路を逆行させ、光学部
品３で内面反射を繰り返し、光分割面４へ導光している
。ここでの光束は反射手段９、又は１１で反射される前
後で２度１７４波長板を通過する為、偏光方位は放射格
子６へ入射する前とは各々９０°異なっている。従って
、第２光学手段を兼ねる光分割面４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３で内面反射
して１７４波長板１２へ入射される。１７４波長板１２
を通過した光束は同偏光となる。

この光束のうち一部はハーフミラ−２２で反射して第２
受光手段２３に入射し、残りの光束は通過する。そして
ハーフミラ−２２を通過した光束は光分割器１３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１４、
又は１６を介し直線偏光として受光素子１５、又は１７
にて２光束による干渉縞の強度を受光し、偏光板１４及
び１６の方位に応した位相差をもった２相信号を得てい
る。

本実Ｍｉ例において被測定回転物体が放射格子６Ｑ）１
ピッチ分たけ回転するとｍ次の回折光の位相は２ｎπだ
け変化する。同様に放射格子６により再回折されたｎ次
の回折光の位相は２ｎπだけ変化する。これにより全体
として受光素子１５゜１７からは（２ｍ−２ｎ）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放射格子６の回転量を測定している
。

例えば放射格子６のピッチが３．２μｍ、位置Ｍ、及び
Ｍ２から得られる回折光として１次及び−１次を利用し
たとすれば回転物体がピッチの３．２μｍ分だけ回転し
たとき受光素子１５．１７からは４個の正弦波形が得ら
れる。即ち、正弦波形１個当たりの分解能として回折格
子１ピツチの１７４の３．２／４　＝０．８μｍが得ら
れる。

本実施例では光分割器１３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。

尚、回転量のみを測定するのであれば光分割器１３、偏
光板１４．１６及び一方の受光手段は不要である。又、
正弦波形周波数を計測することにより容易に回転物体の
回転速度を求めることもできる。

本実施例では回転中心に対して略点対称の２つの位置Ｍ
　＋　、　Ｍ　２からの回折光を利用することにより回
転物体の回転中心と放射格子の中心Ｏとの偏心による測
定誤差を軽減させている。

尚、本実施例に於る構成は略点対称な２点からの回折光
を利用しているわけであるが、略点対称に限らず複数の
位置からの回折光を用いることにより路間等の効果を得
ることが出来る。

本実施例に係るロータリーエンコーダでは製造誤差等に
より放射格子６の回折効率が異なってくる場合があり、
又、光源に半導体レーザーな用ｌ／Ｘだ場合にはその波
長が温度により変化したり、周囲温度の変化に伴って出
力振幅が変動しくる場合がある。そうすると受光素子１
５．１７からの出力信号は例えば第３図に示すように変
化してくる。

そこで本実施例ては光分割器２２を介して光束の一部を
モニタ用の受光素子２３で受光し、該受光素子２３から
の出力信号に基づいて制御手段２４により光源１からの
出力光量を制御し、受光素子１５．１７においては、例
えば第４図に示すように常に安定した状態で出力信号が
得られるようにしている。

次に本実施例に係る制御手段２４により光源１の出力光
量を制御する場合の一実施例を説明する。

第５図〜第８図は本発明に係る制御手段により光源から
の出力光はを制御するときの一実施例の回路図である。

第５図において光源１（例えばレーザーダイオード）に
は電ｔｔｌを流して発光させている。そしてこのときの
電流■を上記のモニタ用の受光素子２３の光電流の大き
さによって制御している。

即ち、受光素子２３に入射される光量か増加すると電流
Ｉを低下させて光量を減じ、又、受光素子２３に入射さ
れる光量が減少すると電流■を増大させて光量を増すよ
うに構成している。

このように構成することによって、受光素子１５（１７
）の前の偏光板１４（１６）に入射される光量は常に一
定の強さに保たれ、従って受光素子１５　（１７）から
は、例えば第４図に示すように振幅の安定した信号を取
出すことができる。

第６図は光源１に流れる電流Ｉを制御するための一実施
例である。同図においてＡ、、Ａ２は演算増幅器、Ｑ、
はトランジスタ、ＰＤ、はモニタ用の受光素子２３、Ｌ
Ｄ、は光源１（レーザーダイオード）、ＲＩ〜Ｒ４は抵
抗器である。又、ＶＲＥＦは基準電圧、ｖｃｏは電源を
示す。受光素子ＰＤ、で生じる光電流で抵抗Ｒ１に発生
した電圧は演算増幅器Ａ１で増幅される。演算増幅器Ａ
２、トランジスタＱ１．抵抗Ｒ２，Ｒ３は反転増幅器を
構成しており、Ａ、出力を増幅する。モニタ光の光量が
増加すると受光素子ＰＤ、の電流が増加しＡ、出力が上
昇し、逆にＡ２出力が低下する。

従って、抵抗Ｒ４、光源Ｌ　Ｄ　＋を流れる電流が減少
し、光ｈ１を減少させる。逆にモニタ光量が減少すると
Ａ２出力が上昇し、光源１を流れる電流を増加させる。

こうしてモニタ光が常に一定になるよう光源を流れる電
流が制御され、出力波形は第４図にように安定化される
。この例の場合、通常ＡＩの増幅度は非常に大きいので
、Ａ１の非反転入力端子はほぼＶ　ＲＥＦと同じ電圧で
安定となる。即ち、受光素子ＰＤ、の電流がＶ　ＲＥＰ
　／　Ｒ＋となる光量で安定する。従って抵抗Ｒ１を可
変としておくことによって光量の調整を行うことができ
る。

尚、上記の例では受光素子ＰＤ、に入射されるモニタ光
が何らかの理由により遮断されたり、抵抗Ｒ１が極端に
小さな値になっていたりすると光源により大きな電流を
流そうとし、光源を破壊してしまう可能性がある。従っ
て、例えば第７図に示すように電圧■１がある値以上に
ならないように保護手段を設けるのが良い。この場合は
電圧■、が定電圧ダイオードＺＤ、のツェナー電圧で制
限される。

第８図は第６図の回路に第７図の回路を適用したときの
回路図である。この場合、Ｑｌのエミッタに直接定電圧
ダイオードを接続するとＱｌから定電圧ダイオードに大
電流が流れるおそれがある為、Ｑｌのペース側で対応し
ている。抵抗Ｒ５と定電圧ダイオードＺＤ、がそれであ
り、Ｑ、のベース電圧はＺＤ、のツェナー電圧で制限さ
れ、光源の破壊を防止している。

尚、以上の実施例ではロータリーエンコーダについて説
明したが、本発明の技術的思想はそのままリニアエンコ
ーダに適用することができる。

（発明の効果） 本発明によれば受光手段の前方に光量をモニタする受光
手段を設け、該受光手段からの出力信号を利用し、光源
からの出力光量を制御することにより、回折格子の製造
誤差や光源の温度依存性、波長依存性等から生ずる検出
誤差を極めて少なくした高精度の検出が可能なエンコー
ダを達成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の主要部をブロック化した概
略図、第２図は本発明をロータリーエンコータに適用し
たときの一実施例の概略図、第３図は従来のロータリー
エンコーダにおいて得られる出力信号の説明図、第４図
は第２図のロータリーエンコーダにおいて得られる出力
信号の説明図、第５．第６．第７．第８図は本発明に係
る制御手段による光源からの出力光量を制御するときの
一実施例の回路図である。 図中、１は光源、２はコリメータルンズ、３は光学部品
、４は第１光分割手段、５．７は反射鏡、６は放射格子
、８，１０．１２はＩ７４波長板、９，１１は反射手段
、１３は光分割器、１４．１６は偏光板、１６，１７．
２３は受光素子、２４は制御手段である。 ％　　１　　　図 三カベ３号 夷　　４　　回 時暦 皐　、２　　圏 第　　６　　回 ｃｃ 夷　　７　　　反 第　　８　　ロ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）光源からの可干渉光を移動可能な回折格子に導光
   し、該回折格子からの複数の回折光を重ね合わせ、該重
   ね合わした光束を受光手段で受光し、該受光手段からの
   出力信号を利用して該回折格子の移動状態を検出する際
   、前記重ね合わされた光束の少なくとも一部の強度を検
   出し、検出結果に応じて得られる信号に基づいて制御手
   段により前記光源からの出力光量を制御したことを特徴
   とするエンコーダ。
2. （２）前記制御手段は前記光源から出力される光量が予
   め設定した値以上にならないようにした保護手段を有し
   ていることを特徴とする請求項１記載のエンコーダ。