JPH0451201A - 透過型回折格子及び該回折格子を用いたエンコーダ - 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等に主に用いられる透過型回折格子
に関する。

［従来の技術］ 従来のエンコーダ等の変位検出装置に用いる透過型のス
ケールとして、例えば第９図に示すような、ガラス基板
上に等間隔で透光部と遮光部とを設は周期的な振幅格子
を形成して光学式スケールを構成しているものがある。

第９図において、１はガラス基板等からなる透明基板、
１４はフォトリソグラフィー等の行程によって作成され
た金属蒸着膜等からなる遮光部格子パターンである。

［発明が解決しようとしている課題］ このような回折格子パターンはフォトリソグラフィー等
の複雑な工程によって作成しなければならず、そのため
に多くの製造工程を必要とし高価なものとなっていた。

特に最近では高精度なエンコーダ用スケールの需要が高
まっており、例えば格子ピッチが１ミクロン−サブミク
ロンオーダーのもので、スケール長が５インチ以上の長
さのもの等もある。このようなものは、電子線露光装置
等の極めて高価な装置で十分な作業時間を掛けなければ
所望の精度のスケールを作成することができなかった。

又、作成できたとしても歩留まりが非常に悪いなど、製
造コスト上および効率上多くの問題があった。

又、回折格子を有するロータリー型のエンコーダは、Ｏ
Ａ種機器ＮＣ工作機械、ＶＴＲのキャプスタンモータや
回転ドラムの回転速度や回転速度ムラを検出する部品と
して広く用いられており、部品として使用するロータリ
ーエンコーダ装置自身の低価格化が望まれていた。それ
にもかかわらず製造効率が悪くコスト高な振幅型格子か
利用されているのが現状であった。

［発明の目的］ 本発明は上記問題点を解消し、安価で信頼性か高く回折
効率が高い透過型回折格子、及び該回折格子を用いたエ
ンコーダの提供を目的とする。

［課題を解決するための手段］ 上述の課題を解決する本発明の透過型回折格子は、透明
基板と、前記透明基板上に設けられる透明な凹凸形状パ
ターン層を有し、凹凸パターンの屈折率、溝の深さ、入
射する光束の波長の各条件が所定の条件式を満たすよう
に設定することにより、回折効率を高めることを特徴と
するものである。

［実施例コ 以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。

第１図は本発明に係る透過型回折格子の断面図を示す。

１はガラス等の光透過性の基板、２はレリーフ型の凹凸
樹脂パターンの薄膜層である。

１の基板はエンコーダ用スケールとして、使用する際の
照射光に対して光透過性の材質であり、例えは光学用ガ
ラスや透明度の高いプラスチック等が挙げられパる。よ
り好ましくは熱膨張率の小さい石英ガラスやセラミック
系のガラスが望ましい。基板１の厚さは１〜３ｍｍ程度
が安価で高精度のものが作製しやすい。

２の凹凸樹脂パターンは重合硬化型樹脂より成り、例え
ばエポキシアクリレート、ウレタンアクリレート、ポリ
エステルアクリレート等のアクリル系の樹脂、あるいは
エポキシ系の樹脂、シリコーン系の樹脂等で、光透過性
があり、凹凸形状の反転パターンを持つ型により成形さ
れる。樹脂層の厚さは最低限、エンコーダとしても光学
的性能を満足する凹凸形状の厚さがあれば十分てあり、
通常は０１μｍ〜５０μｍのオーターである。

次に上記構成の透過型回折格子の製造方法の概略を説明
する。

まず、よく洗浄された平面精度の高い透明なガラス基板
（例えば日本電気硝子（株）製ネオセラムＮ−０）用意
し、必要に応して表面をシランカップリング剤等の密着
向上剤て処理しておく。次に予めフォトリソグラフィー
法等によって作製されたレリーフ状の凹凸形状の反転パ
ターンを持つ型（ガラス製又は金属製）に、上述の重合
硬化型樹脂（例えば日本化釜（株）製の光硬化型樹脂Ｙ
Ｋ−３）を必要量滴下して、その上からガラス基板を厳
密な寸法精度の管理の元に重ね合わせる。なお、必要に
応して型には動型剤を塗布しておく。その後に型内の重
合硬化型樹脂を硬化させるが、硬化させる方法としては
オーブン等の炉に入れて熱硬化させる方法、紫外線を照
射させて行なう方法等があるが、紫外線硬化型樹脂を用
いて紫外線を照射して硬化させる方法が短時間で効率が
良いため好ましい方法といえる。この際、紫外線は透明
基板を介して照射することが可能である。樹脂が硬化し
たら型より離型を行ない、レリーフ状の凹凸形状樹脂パ
ターンを得る。

又、凹凸樹脂パターンを得る方法として、同じく凹凸形
状の反転パターンを持つ型を用いて射出成形法、あるい
は熱プレス成形法等の通常のプラスチック成形方法を通
用しても構わない。

次に上記実施例を更に改良した別の実施例を第２図を用
いて説明する。図中、先の第１図と同の符号は同−又は
同様の部材を表わす。

第２図において、３は空気層、４は透明な保護基板であ
る、５はスペーサである。１および２は第１図の実施例
と全く同様のものとみなして差し支えない。４の保Ｎｉ
基板の材質は、使用するさいの照射光に対して透明な材
質から成り、さらにスケールとして扱う時に凹凸形状部
分を保護するための厚みと強度を有していればどんなも
のでも良く、例えば石英ガラスやセラミック系のガラス
、あるいはプラスチック等が温度変化に対して変形しに
くいので好ましいといえる。さらに好ましくは反射面側
の基板と同様の熱膨張率のものが良い。

スペーサ５は凹凸枳脂パターン２と保護基板４との間に
空間３を設けるためのものであり、材質は特に問わない
。形状は空間３を僅かに設けるためだけの最小限の厚み
と、保護基板４が剥れず、且つ撓まないような構造の形
状であれは、第２図の限りでは無い。スペーサ５は基板
１と保護基板４とを、通常良く用いられる接着剤により
固定させる。ここで用いられる接着剤としては、シリコ
ーン系の可撓性のある密着性の良好なものを使用すると
、接着硬化時の歪や温度変化に対応した伸縮歪が発生し
に〈〈好ましい。又、接着剤の厚みはできるたけ薄い方
が良い。なお、スペーサ５は始めから保護基板４、ある
いは基板１と一体となフているものを用いても良いこと
は勿論である。

本実施例によれは、凹凸パターン上に接着剤を介して保
護基板を積層することにより、凹凸パターン部分に直接
に物か接触することを防止し、パターン面の損傷という
事故を防ぐことができる。

次に第３図に更に別の実施例の断面図を示す。

ここで凹凸樹脂パターン２の表面上に反射防止膜６を設
けることにより、照射光の表面反射を最小限度に押さえ
、回折光量を増大させエンコーダスケールとしての性能
向上を図っている。具体的には、基板カラスと樹脂パタ
ーンの積層体を、必要に応して前洗浄を行ない、通常の
真空蒸看機により単層又は多層からなる反射防止膜の蒸
着を、常温ないし８０℃程度までの温度範囲で順次行な
うことにより第３図のエンコーダ用スケールを得る。

次に上記透過型回折格子を用いたエンコータの構成を説
明する。以上の各実施例で示した回折格子は、第４図の
ようなリニアエンコーダ用のスケールや、第５図のよう
なロータリーエンコーダ用のスケールのいずれにも通用
することができる。

第７図はリニア型あるいはロータリー型のエンコーダの
構成図であり、図中、１００は上記説明した構造の透過
型回折格子を有する光学式スケール、７はマルチモート
の半導体レーザ、８はコリメータレンズ、９はビームス
プリッタ、１Ｏ１１１，１２は反射鏡、１３は受光素子
である。半導体レーザ７を出射したレーザ光束はコリメ
ータレンズ８によってほぼ平行な光束となり、ビームス
プリッタ９により透過光束Ａと反射光束Ｂとに２分割さ
れる。透過光束Ａと反射光束Ｂは各々の光路に配した反
射鏡１０．１１て反射され、光学式スケール１００上の
同一位置に入射する。この時、回折格子に対する入射角
θを回折格子の１次回折光の発生角度と同等に設定しお
けば、光束が透過回折されて生じる一１次回折光と、光
束Ｂが透過回折されて生じる＋１次回折光とが基板面に
垂直な方向（法線方向）に出射する。この＋１次の反射
回折光は反射鏡１２で反射されて光学式スケールに向け
られ再びスケールを照射する。ここで更に発生する＋１
次と一１次の再回折光は元の同−光路を戻る。

こうして１１次の回折を２度ずつ受けた光束Ａ、Ｂは、
ビームスプリッタ９を介して重ね合わされ、互いに干渉
して干渉光を形成する。そしてこの干渉光は受光素子１
３に入射して光電変換される。１１次の回折光の位相は
回折格子が１ピッチ動くと±２πだけ変化する。受光素
子１３には１１次の回折を２度ずつ受けた光による干渉
光が入射するので、回折格子が１ピッチ動くと受光素子
１３からは４個の正弦波信号が得られる。例えば回折格
子のピッチを１，６μｍとすれば受光素子から０．４μ
ｍ周期の正弦波信号が得られる。

このように受光素子１３からの信号に基づいて光学式ス
ケールの第７図の矢印方向の相対的な変位量が測、定で
きる。

さて次に、上記回折格子の凹凸形状と回折効率との関係
について、より詳細な考察を行なう。

透明な凹凸樹脂パターン２の屈折率をｎ、溝の深さをｈ
、入射する光束の波長をλとすると、凹部を透過する光
束Ｅ、と、凸部を透過する光束Ｅ２は、次の（１）式と
（２）式で表わされる。

Ｅ、＝ａｘ　ｅｘｐ［ｉ（ωｔ　＋２π／λＸＬ）］　
　　−・・１１）Ｅ２−ａＸｅｘｐ［ｉ（ωｔ　＋２ｙ
ｒ　／λｘ　（Ｌ＋ｎｈ−ｈ）］・・・・（２） ここで、ａは入射光束の振幅、ωは入射光束の角周波数
、Ｌは凹凸の部分を除いた光路長である。

直進光、すなわち０次透過光の強度Ｉ。は、Ｉｏ（ｈ）
ｌＥ＋　”　Ｅ２ 一２ａ２［１＋　ｃｏｓ　（２（ｎ−１）　ｙｒ　ｈ／
λ））］・・・・（３） であり、１．　（０）　ｉａ２で正規化すれは、Ｉｏ　
（ｈ）　−［１＋　　ｃｏｓ　（２（ｎ−１）　ｙｔ　
ｈ／λ））］／２　　−・−（４）となる。

レリーフ型回折格子のデユーティ（凹凸溝の幅の比）を
５０％とすれば、０次以外の回折光はほとんど±１次回
折光とみなせるから、±１次回折光の強度１１（ｈ）は
各々次式で表わされる。

■＋（ｈ）−（ｔ−ｔｏ（ｈ））／２ ［１−ｃｏｓ　ｆ２　（ｎ−１）　ｙｒ　ｈ／λ））］
／４　　・−・−（５）第６図に、ｎ＝１．５、λ＝　
０．７８μｍの時の、溝深さｈに対する１次回折光の回
折効率を例示する。

±１次回折光で干渉光を形成するエンコーダでは、１次
回折光の強度ができるだけ大きく、且つレリーフ型回折
光の強度変動を１０％以内に抑える条件は、第６図に例
示したような場合には、溝深さｈが、０．６２μｍから
０．９４μｍの間、もしくは２．１８μｍから　２．５
μｍの間、・・・・になっていれば良い。１次回折光の
強度変動が１０％以内という条件を一般式て表わすと、
（５）式に基づいて以下の（６）式のように表わすこと
ができる。

ｍ１ｃａｓ−’　（−０，８）　／２ｙｔ≦（ｎ−１）
ｈ　／λ≦ｍ＋１−ｃｏｓ−’（−０，８）　／２ｒｔ
　　（ｆｆｌ−０，１，２，・・・）　　−１６）（６
）式において、ｃｏｓ−’　（０，８）−２，４９８ｒ
ａｄであるから、回折光の強度変動を抑えるための溝深
さｈの条件として以下の（７）式が得られる。

｛λ／（ｎ−１））　ｘ　（ＩＩ＋＋０．３９８）≦ｈ
≦｛λ／（ｎ−１））　Ｘ　（ｍ＋０．６０２）　　　
　　　　　・・・・（７）（７）式のように漬深さｈを
定めてやれば、回折光の強度変動が小さく抑えられて、
受光素子から安定した出力信号を得ることかできる。

本実施例においては、レリーフ型回折格子の溝深さｈが
（７）式を満たすように、λ＝　０．７８μｍ、　　ｎ
＝１．５　、　ｈ＝０．７８μｍと設定することにより
、精度良く変位測定か行なえるようにしている。

第８図は上記エンコーダの使用例を示すもので、エンコ
ーダを用いた駆動システムのシステム構成図である。モ
ータやアクチュエータ、内燃機関等の駆動源を有する駆
動手段１１０の駆動出力部、あるいは駆動される物体の
移動部にはエンコーダ１１１が接続され、回転量や回転
速度あるいは移動量や移動速度等の駆動状態を検出する
。

このエンコーダ１１１の検出出力は制御手段１１２にフ
ィードバックされ、制御手段１】２においては設定手段
１１３で設定された状態となるように駆動手段１１０に
駆動信号を伝達する。このようなフィードバック系を構
成することによって外乱の影響を受けずに設定手段１１
３で設定された駆動状態を保つことができる。このよう
な駆動システムは、例えば工作機械、製造機械、計測機
器、記録機器、更にほこれらに限らず駆動手段を有する
一般の装置に広く通用することができる。

［発明の効果コ 以上本発明によれば、信頼性の高い透過型回折格子及び
該回折格子を用いた信頼性の高いエンコーダを提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の透過型回折格子の断面図、 第２図は別の実施例の図、 第３図は別の実施例の図、 第４図はリニアエンコーダの光学式スケールの図、 第５図はロータリーエンコーダの光学式スケールの図、 第６図は溝深さｈに対する１次回折光の回折効率を表わ
すグラフ図、 第７図の透過型回折格子を用いたエンコーダの構成図、 第８図はエンコーダを含む駆動システムのシステム構成
図、 第９図は従来例の透過型回折格子の断面図、であり、図
中の主な符号は、 １・・・・透明基板、２・・・・凹凸樹脂パターン、３
・・・・空気層、４・・・・保護基板、５・・・・スペ
ーサ、６・・・・反射防止膜、７・・・・半導体レーザ
、１３・・・・受光素子、第 す町 ５無深！メが

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）透明基板と、 前記透明基板上に設けられる透明な凹凸形状パターン層
   と、 を有し、凹凸パターンの屈折率をｎ、溝の深さをれ、入
   射する光束の波長をλとした時、以下の条件式を満たす
   ことを特徴とする透過型回折格子。 ｛λ／（ｎ−１）｝×（ｍ＋０．３９８）≦ｈ≦｛λ／
   （ｎ−１）｝×（ｍ＋０．６０２）（ｍ＝０，１，２，
   ・・・）（２）前記凹凸形状パターン上に空間を介して
   透明な保護基板が設けられる請求項（１）記載の透過型
   回折格子。 （３）透過型回折格子と、 該回折格子上に光束を照射する手段と、 前記回折格子からの透過回折光による干渉光を検出して
   前記回折格子の相対変位を測定する手段と を有するエンコーダにおいて、前記透過型回折格子は、 透明基板と、 前記透明基板上に設けられる透明な凹凸形状パターン層
   と、 を有し、凹凸パターンの屈折率をｎ、溝の深さをｈ、入
   射する光束の波長をλとした時、以下の条件式を満たす
   ことを特徴とするエンコーダ。 ｛λ／（ｎ−１）｝×（ｍ＋０．３９８）≦ｈ≦｛λ／
   （ｎ−１）｝×（ｍ＋０．６０２）（ｍ＝０，１，２，
   ・・・）