JPH0466294B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は移動物体の移動状態を光電的に測定す
るエンコーダーに関し、特に移動物体に取付けた
回折格子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つて移動物
体の移動状態を測定する際の基準位置信号を効率
的に得るようにしたエンコーダーに関するもので
ある。

（従来の技術） 近年NC工作機械や半導体焼付装置等の精密機
械においては1μm以下（サブミクロン）の単位で
測定することのできる精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を形成
させ、該干渉縞を利用したリニアエンコーダーや
ロータリーエンコーダーが良く知られている。

光電的なロータリーエンコーダーは例えば第３
図に示すように回転軸３０に連絡した円板３５の
周囲に透光部と遮光部を等間隔に設けた、所謂メ
インスケール３１とこれに対応してメインスケー
ルと等しい間隔で透光部と遮光部とを設けた所謂
固定のインデツクススケール３２との双方のスケ
ールを投光手段３３と受光手段３４を挟んで対向
配置した所謂インデツクススケール方式の構成を
採つている。この方法はメインスケールの回転に
伴つて双方のスケールの透光部と遮光部の間隔に
同期した信号が得られ、この信号を周波数解折し
て回転軸の回転速度の変動を検出している。

又このとき円板３５の一部に基準位置信号を得
る為に基準位置検出用のパターン３６と光源３８
と受光手段３７を設けている。

これにより円板３５が１回転する毎に１パルス
の信号出力を得るようにし測定誤差のチエツクや
絶対量の測定等を行つている。

しかしながら第３図に示すように円板３５の周
囲に複数の投光手段や受光手段を配置すると装置
全体が複雑となり、又、大型化してくる傾向があ
つた。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明はレーザー等の光源からの光束の有効利
用を図り、被検移動物体の移動状態を測定すると
共に移動物体に関する基準位置信号を効率的に検
出することを可能とした簡易な構成のエンコーダ
ーの提供を目的とする。

（問題点を解決するための手段） 可干渉性の光束を被検移動物体に連絡した回折
格子に入射させ、該回折格子からの回折光のうち
特定次数の回折光を用い干渉縞を形成し、該干渉
縞を利用し前記移動物体の移動状態を測定するエ
ンコーダーにおいて、前記回折格子からの回折光
のうち未使用の特定次数の回折光を前記被検移動
物体の一部に設けた基準位置検出部に入射させる
ことにより基準信号を得たことである。

この他、本発明の特徴は実施例において記載さ
れている。

（実施例） 第１図は本発明をロータリーエンコーダーに適
用したときの一実施例の光学系の概略図である。

本実施例ではレーザー１より放射された光束を
コリメーターレンズ２によつて平行光束とし偏光
ビームスプリツター３に入射させ、略等光量の反
射光束と透過光束の２つの直線偏光の光束に分割
している。このうち反射した光束は1/4波長板４
を経て、円偏光とし、２つの反射面を有するプリ
ズム１６を介した後、被測定回転物体と連結した
円板６上の放射状の回折格子が設けられている放
射格子７の位置M₁に入射させている。そして放
射格子７に入射し回折した透過回折光のうち特定
次数の回折光を反射手段８により反射させ、同一
光路を逆行させ放射格子７上の略同一位置M₁に
再入射させている。そして放射格子７により再回
折された特定次数の回折光を1/4波長板４を介し
て入射したときと90度偏光方位の異なる直線偏光
とし偏光ビームスプリツター３に入射させてい
る。

本実施例では偏光ビームスプリツター３から反
射手段８に至る特定次数の回折光の往復光路を同
一としている。第２図は第１図で示した反射手段
の一実施例の説明図である。

同図においては反射鏡４０を集光レンズ４１の
略焦点面上に配置し、集光レンズ４１に平行に入
射してきた特定次数の回折光のみをマスク４２の
開口部４３を通過させ反射鏡４０で反射させた
後、元の光路を逆戻りするようにしている。そし
て、その他の次数の回折光をマスク４２により遮
光している。反射手段としては、この他第２図に
示す機能と同一のものであれば、例えばキヤツツ
アイ光学系等どのような構成のものでも良い。こ
のような光学系を用いれば例えばレーザーの発振
波長が変化し、回折角が多少変化しても略同じ光
路で戻すことができる特徴がある。

又、キヤツツアイ光学系に、屈折率分布型レン
ズ、例えば日中板硝子社製のセルフオツクマイク
ロレンズ（商品名）等を適用し、その両端平面な
点に着目して片面に反射膜を設けることにより、
構成が簡便で且つ又生産性に富む光学素子として
本発明に有効に適用することができる。

第１図に戻り偏光ビームスプリツター３で分割
された２つの光束のうち透過した光束は1/4波長
板５を介し円偏光とし、円板６上の放射格子７上
の位置M₁と回転軸５０に対して略点対称の位置
M₂に入射させている。そして放射格子７に入射
し回折した透過回折光のうち特定次数の回折光を
前述の反射手段８と同様の反射手段９により同一
光路を逆行させて、放射格子７の略同一位置M₂
に再入射させている。そして放射格子７より再回
折された特定次数の回折光を1/4波長板５を介し
入射したときは90度偏光方位の異なる直線偏光と
し偏光ビームスプリツター３に入射させている。

このとき、透過光束も前述の反射光束と同様に
偏光ビームスプリツター３から反射手段９に至る
特定次数の回折光の往復光路を同一としている。
そして反射手段８を介し入射してきた回折光と重
なり合わせた後、1/4波長板１０を介し円偏光と
し、光分割器１１で２つの光束に分割し、各々の
光束を互いの偏光方位を45度傾けて配置した偏光
板１２，１３を介し双方の光束に90度の位相差を
付けた直線偏光として各々の受光手段１４，１５
に入射させている。そして受光手段１４，１５に
より形成された２光束の干渉縞の強度を検出して
いる。

一方、本実施例では放射格子７の位置M₁に入
射し、回折した光束のうち反射手段８に入射する
特定次数の回折光、例えばｍ次の回折光以外の回
折光の中から特定次数の回折光、例えば−ｍ次、
ｍ＋１次等の回折光を反射鏡１８，１９を介し、
シリンドリカルレンズ２１により円板６上に設け
た基準位置検出部２２に入射させている。

基準位置検出部２２は例えば円板６上に設けた
開口スリツト等から成つている。そして該スリツ
トを通過した光量変化をマスク２３を介し受光手
段２４により光電的に検出し、零位置を定めてい
る。

即ち円板６上の回転状態を測定する際の基準信
号、例えば１回転毎に１つの基準信号を得てい
る。

このように本実施例では放射格子７からの回折
光のうちエンコーダーとして未使用の特定次数の
回折光を利用することによりレーザーからの光束
の有効利用を図り、新たな光源を用いることなく
基準信号を容易に得ている。

又、所定次数の未使用回折光の光量が少ない場
合、光学配置を工夫して、複数の未使用回折光を
重畳させて使用するとか、回折格子として例えば
透明レリーフパターンから成る位相格子を用いて
格子形状とピツチを適宜選択して出射する回折光
を０次光と任意の高次回折光の２つのみとすると
かして所望の光量を得ることが出来る。

本実施例において被測定回転物体が放射格子７
の１ピツチ分だけ回転するとｍ次の回折光の位相
は2mπだけ変化する。同様に放射格子７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手段からは（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回転量
を測定している。

例えば回折格子のピツチが3.2μm、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
ピツチの3.2μm分だけ回転したとき受光素子から
は４個の正弦波形が得られる。即ち正弦波形１個
当りの分解能として回折格子の１ピツチの1/4の
3.2／４＝0.8μmが得られる。

本実施例では光分割器１１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
１１、偏光板１２，１３及び一方の受光手段は不
要である。又、得られる正弦波形の周波数を計測
すれば回転速度を検出することも可能である。

本実施例では回転中心に対して略点対称の２つ
の位置M₁，M₂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
より略同等の効果を得ることが出来る。例えば、
互いに120゜の角度を成す３点からの回折光を利用
したり、近接しない任意の２点からの回折光を利
用するのも有効である。

更に一方の光束の回転軸中心寄りの光束要素と
略点対称な位置に入射させた他方の光束の回転軸
中心寄りの光束要素とを互いに重なり合わせ、同
様に回転中心の外側寄りの光束要素同志を重ね合
わせることにより、放射格子の外側と内側のピツ
チの違いより生じる波面収差の影響を除去してい
る。

本実施例では偏光ビームスプリツター３から反
射手段８，９に至る特定次数の回折光の往復の光
路を同一とすることにより、偏光ビームスプリツ
ター３における２つの回折光束の重なり具合を容
易にし、装置全体の組立精度を向上させている。

尚、測定精度があまり要求されない場合には回
転軸に対して点対称の２点からの光束を利用する
代わりに片方の光束のみを使用するようにしても
良い。

第４図は本発明の他の実施例の光学系の概略図
である。図中第１図で示した要素と同一要素には
同符番を付してある。

本実施例では放射格子７からの回折光のうち特
定次数の透過回折光を反射手段８に入射させ、特
定次数の反射回折光を反射面を有するプリズム２
７と２つの反射鏡１８，１９を介してシリンドカ
ルレンズ２１により基準位置検出部２２に入射さ
せている。そして基準位置検出部２２を通過した
光束をマスク２３を介し受光手段２４で受光して
いる。これにより基準信号を得ている。

この他は第１図の実施例と同じである。

尚、基準信号を得る方式や光学配置は上記実施
例に限らず任意の方式や配置を適用出来、光学的
な方式であれば如何なるものでも良い。

尚、以上の各実施例において1/4波長板４，５
は偏光ビームスプリツター３と反射手段との間で
あればどこに配置しても良い。

又、各実施例において受光手段１４，１５に導
光する回折光を透過回折光の代わりに反射回折光
を利用しても良い。

又、測定用の回折光及び基準位置検出用に導入
した回折光の他の回折光を用いて所定の機能に利
用することも当然可能である。

以上の実施例はロータリーエンコーダーについ
て説明したが、本発明の技術的思想はそのままリ
ニアエンコーダーにも適用することができる。

尚、本発明において使用する回折格子は、透光
部と遮光部から成る所謂振幅型の回折格子、互い
に異なる屈折率を有する部分から成る位相型の回
折格子である。特に位相型の回折格子は、例えば
透明円盤の円周上に凹凸のレリーフパターンを形
成することにより作成出来、エンボス、スタンパ
等のプロセスにより量産が可能である。

（発明の効果） 本発明によれば回折格子からの回折光のうち、
被検移動物体の移動状態を測定する為に用いる特
定次数の回折光以外の他の回折光を利用すること
により、新たな光源を必要とせず基準位置信号を
容易に得ることのできる簡易な構成のエンコーダ
ー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光学系の概略図、
第２図は第１図の一部分の説明図、第４図は本発
明の他の実施例の光学系の概略図、第３図は従来
の光電式ロータリーエンコーダーの説明図であ
る。図中、１はレーザー、２はコリメーターレン
ズ、３は偏光ビームスプリツター、４，５，１０
は1/4波長板、６は円板、７は放射格子、８，９，
１８，１９は各々反射手段、１２，１３は各々偏
光板、１４，１５，２４は各々受光手段、２２は
基準位置検出部、２３はマスク、２５，２７はプ
リズムである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 可干渉性の光束を被検移動物体に連絡した回
   折格子に入射させ、該回折格子からの回折光のう
   ち特定次数の回折光を用い干渉縞を形成し、該干
   渉縞を利用し前記移動物体の移動状態を測定する
   エンコーダーにおいて、前記回折格子からの回折
   光のうち未使用の特定次数の回折光を前記被検移
   動物体の一部に設けた基準位置検出部に入射させ
   ることにより基準信号を得たことを特徴とするエ
   ンコーダー。