JPH07119624B2 - リニアエンコーダー - Google Patents

リニアエンコーダー

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JPH07119624B2
JPH07119624B2 JP61005741A JP574186A JPH07119624B2 JP H07119624 B2 JPH07119624 B2 JP H07119624B2 JP 61005741 A JP61005741 A JP 61005741A JP 574186 A JP574186 A JP 574186A JP H07119624 B2 JPH07119624 B2 JP H07119624B2
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明はリニア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回折格子の移動量、
即ち移動物体の移動量を測定するリニアエンコーダーに
良好に適用することができるものである。
(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は要求されている。
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が良く知られている。
第1図は従来のリニアエンコーダーの一例の構成図であ
る。同図において1はレーザー、2はコリメーターレン
ズ、3は不図示の移動物体に取付けた格子ピッチdの回
折格子であり、例えば矢印の方向に速度vで移動してい
る。
41,42は各々1/4波長板、51,52は回折格子3の傾きによ
つて生ずる再回折光の軸ずれを防止する為のダハプリズ
ム又はコーナーキユーブ反射鏡、6はビームスプリツタ
ー、71,72は偏光板で各々の偏光軸は互いに直交してお
り、更に1/4波長板41,42の偏光軸と45度の角度をなすよ
うに配置されている。81,82は各々受光素子である。
同図においてレーザー1からの光束はコリメーターレン
ズ2により略平行光束となり回折格子3に入射する。回
折格子3で回折された正と負のm次の回折光は1/4波長
板41,42を介してコーナーキユーブ反射鏡51,52で反射さ
れて、回折格子3に再度入射し再び正と負のm次の回折
光となつて重なり合いビームスプリツター6で2光束に
分割されて偏光板71,72を介して受光素子81,82に入射す
る。
ここで受光素子81,82に入射する光束は1/4波長板41,42
と偏光板71,72の組み合わせによつて互いに90度の位相
差がつけられ、回折格子3の移動方向の弁別に用いられ
ている。そして受光素子81,82で受光される干渉縞の明
暗の縞を計数することにより回折格子3の移動量を求め
ている。
第2図は従来の透過回折光を利用したリニアエンコーダ
ーの一例の構成図である。同図では装置全体を薄型にす
る為反射プリズム9を用いてレーザー1からの光束及び
回折格子3からの回折光を曲げ、又回折光としては透過
回折光を利用している。この他は第1図のリニアエンコ
ーダーと同様である。
第1図、第2図に示すリニアエンコーダーは共に光束の
回折格子3への再入射をダハプリズムやコーナーキユー
ブ反射鏡等の反射手段を用いて行つている。
これによりレーザー1の波長が例えば周囲温度変化等に
より変化し、回折格子3からの回折角度が変化しても必
ず同じ角度で再度回折格子3を照射し、2つの再回折光
が必ず重なり合うようにし、受光素子81,82からの出力
信号のS/N比を良好に維持している。
しかしながらダハプリズムやコーナーキユーブ反射鏡等
の反射手段を配置する際には0次の回折光を遮らない位
置に配置する必要がある。例えば回折格子3の格子ピツ
チが3.2μm、レーザー1の使用波長が0.83μmとし第
1次回折光を利用したとすれば回折角度はsin-1(0.83/
3.2)=15度となる。0次回折光と反射手段を分離する
ために回折格子3の光束入射位置での法線(0次回折光
方向)と例えば15mm離れた位置に配置したとすると反射
手段を回折格子3から15/tan15゜=56(mm)離れた位置
に配置しなければならない。従つてダハプリズムやコー
ナーキユーブ反射鏡を用いると装置全体がどうしても大
型化してしまう。
又一般にダハプリズムやコーナーキユーブ反射鏡は加工
精度が高く製作が難しい等の欠点がある。
(発明が解決しようとする問題点) 本発明は従来のダハプリズムやコーナーキユーブ反射鏡
等を用いる代わりに焦点面近傍に反射鏡を配置した集光
系を用いることにより装置全体の小型化及び作用上の容
易さを図り、また不要回折光を効果的に除去できるよう
にし、特により外乱に強い様に図つたりリニアエンコー
ダーの提供を目的とする。
(問題点を解決するための手段) 可干渉性光束を発生する光源と、該光源から出射する光
束を所定位置にて反射させて光路を逆行させることによ
り回折格子に2回入射させ、該回折格子から出射する回
折光より干渉縞を形成するように配置された光学系と、
該光学系によって形成された干渉縞を検出する受光手段
とを有し、該干渉縞の明暗の縞を計数することにより前
記回折格子の移動量を測定するリニアエンコーダーにお
いて、前記光学系は前記回折格子からの特定次数の回折
光の出射方向に光軸方向を略一致させたレンズ手段と、
該レンズ手段の焦点面近傍に前記特定の次数の回折光の
みを反射させる反射平面とを配置した集光系により前記
回折格子からの回折光を集光し、かつ該回折光のうち前
記特定次数の回折光のみを前記反射平面で反射させ前記
回折格子に再度入射させたことである。
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3図は本発明の一実施例の光学系の概略図である。同
図において第1図に示す要素と同一のものには同符番を
付してある。
本実施例ではレーザー1からの可干渉性光束をコリメー
ターレンズ2によつて略平行光束とし、偏光ビームスプ
リツター111の入射させ直線偏光の透過光束と同じく直
線偏光の反射光束の2つの光束に分割している。このう
ち反射光束は1/4波長板41を介して円偏光とし回折格子
3に入射させている。そして回折格子3からの特定次数
の透過回折光束を集光レンズ131と光束制限用のマスク1
51そして反射鏡141を有する第1の集光系によつて集光
した後同一光路を逆戻りするように反射させた後、再度
回折格子3に入射させ再回折させている。第5図はこの
ときの第1の集光系の説明図である。第5図より理解さ
れるように集光レンズ131の光軸は入射する特定次数の
回折光の進行方向と略一致しており、同図においては反
射鏡141を集光レンズ131の略焦点面上に配置することに
より、集光レンズ131に平行に入射してきた特定次数の
回折光をマスク151の開口部を通過させ、反射鏡141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
してこの他の次数の回折光束はマスク151により遮光
し、再び回折格子3に戻らないようにしている。
第3図に戻り、回折格子3によつて再回折された回折光
束は1/4波長板41により入射したときと90度偏光方位が
異なる直線偏光とし偏光ビームスプリツター111を透過
させ、1/4波長板42を介して円偏光とし、反射鏡を161で
反射させている。その後1/4波長板42を介して入射した
ときとは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111で反射させ1/2波長板12で偏光方位を90
度回転させて、偏光ビームスプリツター112を透過させ
ている。そして1/4波長板45を介した後、円偏光とし、
ビームスプリツター17で2つの光束に分割し、各々偏光
板71,72を介した後直線偏光とした受光素子81,82に各々
入射させている。
一方偏光ビームスプリツター111を通過した直線偏光の
光束は1/2波長板12を介して偏光方位を90度回転させ偏
光ビームスプリツター112で反射させ、1/4波長板43を介
して円偏光とし回折格子3に入射させている。そして回
折格子3からの特定次数の透過回折光を前述した第5図
に示すのと同様の第2の集光系により元の光路を逆戻り
するように反射させた後、再度回折格子3に入射させ再
回折させている。そして再回折させた回折光束を1/4波
長板43を介して直線偏光とし、偏光ビームスプリツター
112を透過させ1/4波長板44を介して円偏光とし反射鏡16
2で反射させている。その後1/4波長板44で入射したとき
は偏光方位が90度異なる直線偏光とし、偏光ビームスプ
リツター112で反射させ1/4波長板45を介して円偏光とし
偏光ビームスプリツター112で反射させ1/4波長板を介
して円偏光としビームスプリツター17で2つの光束に分
割している。そして2つの光束を各々偏光板71,72を介
した後受光素子81,82に各々入射させ前述の第1の集光
系を介して導光した回折光束と重なり合わせて干渉縞を
形成している。参考の為第3図に示す構成において特定
次数の正と負の回折光束の光路のみを第4図に示す。
本実施例においてm次の回折光の位相は回折格子が1ピ
ツチ移動すると2mπだけ変化する。従つて受光素子81,8
2からは正と負のm次の回折を2回ずつ受けた光束の干
渉を受光している為回折格子が格子の1ピツチ分移動す
ると4m個の正弦波信号が得られる。
例えば回折格子3のピツチが3.2μm、回折光として1
次(m=1)を利用したとすれば回折格子3が3.2μm
移動したとき受光素子81,82からは4個の正弦波信号が
得られる。即ち正弦波1個当りの分解能として回折格子
3のピッチの1/4即ち3.2/4=0.8μmが得られる。
又1/4波長板41〜45及び偏光板71,72の組み合わせによつ
て受光素子81,82からの出力信号間に90度の位相差をつ
け、回折格子3の移動方向も判別出来るようにしてい
る。尚単に移動量のみを測定するのであれば受光素子は
1つで良い。
そして本実施例では第5図に示す構成の集光系を2つ利
用して、回折格子からの回折光のうち所望の次数の回折
光のみをマスク151を介して反射させ、再回折用として
利用し、その他の次数の回折光をマスク151により除去
するのを容易にしている。
即ち第5図に示すように、所望の次数の回折光と、相隣
り合う次数の回折光との間の角度をθ、集光レンズ131
の焦点距離をfとすれば、反射鏡14上での集光位置は互
いにftanθだけ離れているので、光束制限用のマスク15
1の開口部の大きさを、ftanθ以下の径にすれば、不要
次数の回折光束が除去できる。たとえば、先の例で、回
折格子3の格子ピツチ3.2μm、光源1の波長0.83μm
で、±1次の回折光のみを反射させた場合、0次の回折
光束との間の角度は、θ=15゜である。そして、集光レ
ンズ13の焦点距離としてf=6mmを選べば、ftanθ=1.6
mmとなる。すなわち、光束制限用のマスク151の開口部
を、直径1.6mmの円形開口にすれば、0次の回折拘束が
除去できる。このことは、回折格子3から、集光レンズ
13迄の距離とは無関係であるから、集光レンズ13は、回
折格子3の直後に配置してよい。従つて、前記の、焦点
距離6mmの集光レンズを用いた場合、回折格子3から、
反射鏡14迄の距離は10mm程度ですみ、装置全体を極めて
薄型に構成することができる。
本実施例における集光系は焦点面近傍に反射面を配置し
ている為に例えばレーザー光の発振波長の変化に伴う回
折角が微少変化して集光レンズへの入射角が多少変化し
ても、略同じ光路で戻すことができる。これにより2つ
の正と負の回折光を重なり合わせ受光素子81,82の出力
信号のS/N比の低下を防止している。
尚本実施例における集光系は例えば第6図に示すように
集光レンズとマスクそして反射鏡を一体的に合体させて
構成しても良い。
同図において181は集光レンズ、182は反射面、183はマ
スクである。
さらには、第7図のように、第6図のレンズを屈折率分
布型レンズ、たとえば商品名セルフオツクマイクロレン
ズ(日本板硝子(株)製)として、その平面端面の中心
部のみに反射鏡を蒸着しておけば、第6図と同等の効果
が得られると共に、製造が容易となり、装置も小型、簡
便となる。第7図において191は屈曲率分布型レンズ、1
92は反射部(裏面鏡)である。
本実施例においては透過回折光の代わりに第8図に示す
ように反射回折光を利用しても良い。同図の実施例にお
いては回折光は特定次数の1つの回折光束だけを取り出
し、反射鏡20からの光束と重ね合わせて受光素子81,82
に導光し、正弦波信号を得ている。
本実施例では第3図に示す実施例よりも更に小型で簡単
な構成のリニアエンコーダーを達成している。
尚、本発明に用いる回折格子は遮光部と透光部から成る
所謂振幅型の回折格子、互いに屈折率が異なる部分から
なる位相型の回折格子等が用いられる。特に位相型の回
折格子(位相格子)は例えば透明円盤の円周部にレリー
フ型の凹凸パターンを形成することによつて得ることが
出来、スタンパ、エンボス等で大量生産が可能であり有
効である。又、反射型の位相格子は凹凸パターンに蒸着
等で反射膜を形成することにより容易に作成できる。
(発明の効果) 以上のように本発明によれば焦点面近傍に反射面を配置
した集光系を利用することにより装置全体の小型化及び
製作上の容易さを図つた高精度のリニアエンコーダーを
達成することができる。更には、回折格子からの特定次
数の回折光の出射方向に光軸方向を略一致させたレンズ
手段と、レンズ手段の焦点面近傍に前記特定の次数の回
折光のみを反射させる反射面とを配置した集光系によっ
て、不要回折光を効果的に除去できるようにし、特にた
とえ装置の振動等によってこの集光系関係が変化しても
光束の出射光路は最小限に抑えられるので、より外乱に
強いリニアエンコーダーが実現する。
【図面の簡単な説明】
第1図、第2図は各々従来のリニアエンコーダーの光学
系の概略図、第3図は本発明の一実施例の光学系の概略
図、第4図は第3図の実施例における回折光の光路の説
明図、第5図、第6図、第7図は各々第3図の一部分の
説明図、第8図は本発明の他の実施例の光学系の概略図
である。図中1はレーザー、2はコリメーターレンズ、
3は回折格子、41〜45は1/4波長板、51,52はコーナーキ
ユーブ反射鏡、81,82は受光素子、111,112は偏光ビーム
スプリツター、12は1/2波長板、131は集光レンズ、141
は反射鏡、151はマスクである。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】可干渉性光束を発生する光源と、該光源か
    ら出射する光束を所定位置にて反射させて光路を逆行さ
    せることにより回折格子に2回入射させ、該回折格子か
    ら出射する回折光より干渉縞を形成するように配置され
    た光学系と、該光学系によって形成された干渉縞を検出
    する受光手段とを有し、該干渉縞の明暗の縞を計数する
    ことにより前記回折格子の移動量を測定するリニアエン
    コーダーにおいて、前記光学系は前記回折格子からの特
    定次数の回折光の出射方向に光軸方向を略一致させたレ
    ンズ手段と、該レンズ手段の焦点面近傍に前記特定の次
    数の回折光のみを反射させる反射平面とを配置した集光
    系により前記回折格子からの回折光を集光し、かつ該回
    折光のうち前記特定次数の回折光のみを前記反射平面で
    反射させ前記回折格子に再度入射させたことを特徴とす
    るリニアエンコーダー。
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