JPH07198422A - レーザエンコーダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 微細変位量検出可能な高分解能のレ−ザエン
コ−ダ。 【構成】 入射光が反射膜の微細なピッチの溝で反射・
回析して位相差正弦波を発生する位相差正弦波発生手段
１と、対物レンズにより微細なスポット径に絞ったレ−
ザビ−ムを反射膜へ照射し、回析する戻り光を分割して
４分割受光素子によって受光するレ−ザ光測定手段２
と、４分割受光素子の受光出力より回析波強度分布に比
例した互いに９０°位相差を持つ位相差正弦波信号を検
出する位相差信号検出手段３と、この位相差正弦波信号
より変位量を計測する変位量計測手段４で構成し、反射
膜と照射レーザビームの相対移動時の位相差正弦波信号
の振幅、位相変化を基に制御対象の変位量を計測するも
のである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光検出系による光学式
エンコ−ダに関し、詳しくはレ−ザ光検出系による高分
解能エンコ−ダに関する。

【０００２】

【従来の技術】図９は従来のエンコ−ダの概略構成図で
あり、入力軸（回転軸）に定められた数のスリットが刻
まれたスリット円板が取り付けられている、一般的なイ
ンクリメンタル方式のロ−タリ−エンコ−ダの構成を示
している。

【０００３】このスリット円板に平行して固定スリット
があり、２つのスリットの両側に相対して２組の発光ダ
イオ−ドとフォトトランジスタを設置している。入力軸
が制御対象の変位により回転することによって、スリッ
ト円板が回転し２つのスリットを通過する光はモアレ縞
を生ずる。これをフォトトランジスタによって電気信号
に変換して、スリットの数に等しいパルス信号を出力す
る。フォトトランジスタからＡＭＰを介して出力する２
つの出力信号は、互いに９０°の位相差を持つように調
整されていて、回転方向の反転により位相も反転するの
で、方向弁別回路を有する可逆カウンタと組み合わせ、
回転量の加算・減算ができるようになっている。この場
合の分解能はスリットの数による１回転当たりの出力パ
ルス数Ｐ／Ｒで表わし、信号内挿処理等によりＰ／Ｒを
上げるようにしている。

【０００４】この他ゲ−ジセンサ−等のリニア方式のエ
ンコ−ダももあるが、スリット円板が移動スリット（リ
ニアスケ−ル）に代わるだけで原理・動作に違いはな
い。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来のエンコ−ダはスリット板の移動（回転または
直進）による変位量を、スリットの数に対応するパルス
として検出しているので分解能はスリットピッチによっ
て決まり、従来の方式でスリットピッチを細かくしよう
とすれば、それにつれて固定スリットと移動スリットの
間隔も小さくしなければならないので、スリットの傷や
付着するゴミによる妨害も大きくなり、スリットピッチ
は４〜１０μｍ程度が限度となっている。従って、これ
以上エンコ−ダの分解能を上げることは製造上難しく、
最近の要求である１μｍ以下のスリットピッチによる高
精度の微細位置、微小移動量等の検出要求に応えられな
いという問題があった。

【０００６】本発明は上述の問題点に鑑みてなされたも
のであり、１μｍ以下のスリットピッチのレベルに分解
能を高め、高精度の微細制御の要求に応え得るレ−ザエ
ンコ−ダを提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のレ−ザエンコ−ダは、光検出系により反射
光の光量を検知する光学式エンコ−ダにおいて、微細ピ
ッチの溝を形成した反射膜に入射したレーザ光が反射回
析して位相差正弦波を発生する位相差正弦波発生手段
と、微細スポット径のレ−ザ光を前記反射膜へ照射し回
析する戻り光を分割して４分割受光素子により受光する
レ−ザ光測定手段と、前記４分割受光素子の受光出力よ
り互いに９０度の位相差を有する位相差正弦波信号を検
出する位相差信号検出手段と、前記位相差正弦波信号よ
り前記移動スリットの変位量を計測する変位量計測手段
を備えている。

【０００８】また、 前記移動位相差正弦波発生手段の
各溝と同一線上に位置情報を示すビットパタ−ンを設け
ている。

【０００９】

【作用】上記構成によれば、レ−ザ光測定手段より微細
スポット径に集光したレ−ザ光を、位相差正弦波発生手
段の微細ピッチの溝に形成した反射膜へ照射し、位相差
正弦波発生手段の反射膜とレーザ光測定手段との相対移
動による反射膜の反射回析波により位相差正弦波を発生
する。反射回析波による位相差正弦波はレ−ザ光測定手
段に戻り分割されて、４分割受光素子によって受光され
る。位相差信号検出手段は４分割受光素子の受光出力よ
り互いに９０度の位相差を有する位相差正弦波信号を検
出し、変位量計測手段によって位相差正弦波信号より移
動スリットの変位量を計測するので、微細変位の検出が
可能になる。

【００１０】あるいは、多数の各溝の同一線上に位置情
報を示すビットパタ−ンを設けたので、基点位置を決め
て微細変位検出を行うことができる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図に基づいて説明
する。

【００１２】図１は本発明の一実施例に係るレ−ザエン
コ−ダのブロック図である。

【００１３】図示の実施例は、微細ピッチの溝を形成し
た反射膜によって、入射光を反射・回析し位相差正弦波
を発生する位相差正弦波発生手段１と、レ−ザ光を微細
スポット径に集光して正弦波発生手段１へ照射し、戻り
光を分割して４分割受光素子によって受光するレ−ザ測
定手段２と、４分割受光素子の出力から互いに９０°の
位相差を持つ位相差正弦波信号と、フォ−カス・サ−ボ
等の制御信号とを検出する位相差信号検出手段３と、位
相差正弦波信号を基に変位量を計測することによって、
位相差正弦波発生手段１とレーザ光測定手段２との相対
変位量を計測する変位量計測手段４とで構成される。

【００１４】図２は図１に示すレ−ザエンコ−ダの具体
構成例を示す図である。

【００１５】図２に示すように、レ−ザ光源２２から射
出したレ−ザ光束は、コリメ−タレンズ２３によってほ
ぼ平行な光束となってビ−ムスプリッタＰＢＳ２４を透
過し、対物レンズ２５により集光され微細スポットに絞
り込まれて透明材よりなる基板２１を通過し、Ａｌ等の
材料上に１．６μｍ位の微細ピッチの溝を形成した反射
膜２０上で反射・回析する。これら反射・回析光の戻り
光は再び対物レンズ２５を通過して、ハ−フミラ−型の
ＢＳ２４で分光されてシリンドリカルレンズ２６を通過
し、さらに集光レンズ２９の作用により集束され、４分
割受光素子２７上で受光される。対物レンズ２５はフォ
−カスサ−ボ時に対物レンズ駆動アクチュェ−タ２８に
よって上下方向に駆動される。

【００１６】ここで、図２中の反射膜２０で構成する位
相差正弦波発生手段１を除く部分がレ−ザ光測定手段２
に相当する。

【００１７】つぎに動作について説明する。

【００１８】レ−ザ光源２２から射出した波長λのレ−
ザ光束は、コリメ−タレンズ２３により平行光束となっ
た後に、比較的開口率の大きい対物レンズ２５によって
スポット径が１μｍ程に絞り込まれ、微細ピッチの溝を
読み取れる微細スポットとなって反射膜２０へ入射す
る。反射膜２０からの反射・回析光は戻り光としてＢＳ
２４で偏向を受け、シリンドリカルレンズ２６と集光レ
ンズ２９の作用により４分割受光素子２７面上で受光さ
れる。

【００１９】図３は図１に示した位相差信号検出手段の
具体回路例を示す図である。

【００２０】図３に示すように、４分割受光素子２７は
４分割領域「Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ」に分割された受光面を持
っている。

【００２１】本実施例は、４分割した光検出器として４
分割受光素子２７を用い、レ−ザ光が反射膜２０の溝を
横断する際回析・反射されて再び対物レンズ２５に入射
する時に生ずる正弦波状の回析光強度分布の変化を検出
して、溝とスポット光の相対移動量に換算・計測するも
のである。

【００２２】まず、図３に示す加減算器２９により、信
号ｅ１＝（Ａ＋Ｄ）−（Ｂ＋Ｃ）、を作成し周知の非点
收差フォ−カスサ−ボ誤差信号により、対物レンズ駆動
アクチュェ−タ２８を駆動して、対物レンズ２５の上下
動によるフォ−カス調整を行う。

【００２３】つぎに、本発明では、加算器３１により
（Ａ＋Ｂ）信号を、加算器３３により（Ｃ＋Ｄ）信号
を、加算器３５により（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）信号をそれぞ
れ作成する。（Ａ＋Ｂ）信号と（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）信号
を割り算器３２により割り算して信号「ｅ１」を求め
る。信号「ｅ１」はピットでの反射・回析波による正弦
波状の回析光強度分布に比例する正弦波出力である。

【００２４】続いて、（Ｃ＋Ｄ）信号と（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋
Ｄ）信号とを割り算回路３４により割り算して信号「ｅ
２」を求める。信号「ｅ２」も同じく正弦波出力であり
「ｅ１」と「ｅ２」は、光学系により約９０°の位相差
を持つように調整された位相差信号である。

【００２５】このように、（Ａ＋Ｂ）信号と（Ｃ＋Ｄ）
信号をそれぞれ割り算により、全出力（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋
Ｄ）との比を求め等化処理して「ｅ１」、「ｅ２」を求
めることにより計測デ−タの信頼性を上げるようにして
いる。

【００２６】いま、フォ−カスサ−ボを掛けながらスポ
ット光を反射膜に沿って移動させる場合を考える。

【００２７】溝のピッチを１．６μｍ（凸部、凹部各
０．８μｍ）、スポット光の径が約１μｍの場合、図４
に示すようにスポット光が順次、、…を通過して
いくと反射膜からの反射・回折が生じる。先ず、０次光
についてみると、レーザ光の干渉によって凸部で大、凹
部で小となり、図５に示すような正弦波状変化となる。
一方、１次回折光についてみると、スポット光が凹凸部
にまたがる場合に光が回折され、図４上で考えると、左
右がアンバランスとなる。この様子を示したのが図６で
ある。

【００２８】実際には２分割受光素子で受けた場合の反
射・回折光量は図５と図６を合成したものとなり、２分
割受光素子の一方は０時光と＋１次光、他方は０次光と
−１次光の合成となり、図７に示すように出力ｅ１，ｅ
２は概ね９０°位相差をもつ。なお、この位相差は溝の
深さや形状により変化するので、それを適当な値に選び
９０°位相差を得る。

【００２９】この後の計測回路は方向弁別、信号内挿処
理等の構成によるエンコ−ダの計測回路によって、「ｅ
１」、「ｅ２」位相差信号よりスポット光の変位量、移
動方向を計測して制御対象の高精度な変位量計測を行
う。

【００３０】このような本実施例では、微細ピッチの溝
も読み取れる高精度なレ−ザ光システムが構成でき、従
来例と比較して固定スリットを使用しなくてもすみ、レ
−ザビ−ムのスポット径が１μｍ以下になるので分解能
が高くなり、対物レンズ２５の間隔も、数ｍｍは離せる
ようになって組み立てが容易になる。

【００３１】図８は本発明の第２実施例に係るレ−ザエ
ンコ−ダの説明図である。

【００３２】第２実施例は前実施例で使用した反射膜２
０に、図８のように各溝と同一線上にそれぞれの各溝位
置を特定するビットパタ−ンを形成したものである。

【００３３】図８に示す反射膜４０のビットパタ−ン部
分には、各溝の位置を特定するコ−ド（例えばグレイバ
イナリコ−ド）が刻まれている。図では“０”を小丸、
“１”を楕円で表示している。

【００３４】まず、この反射膜４０を前記反射膜２０の
代わりに装備し、他の構成は前実施例と同じレ−ザエン
コ−ダの電源投入時に、フォ−カスサ−ボ及びトラッキ
ングサーボを掛けてそのスポットを図８のＡのように、
スリット位置から図の下方へ移動させてビットパタ−ン
を通過させる。

【００３５】ビットパタ−ンをスポットがなぞっていく
と、４分割受光素子２７からの信号出力、（Ａ＋Ｂ＋Ｃ
＋Ｄ）にはビットパタ−ンに応じた信号波形が現れる。
この波形をデコ−ドして基点位置デ−タとし、この位置
デ−タをアップダウンカウンタにロ−ドする。位置デ−
タが確定しスリット位置を特定したら、スポットを図の
Ｂの位置上につまり再びスリットライン上に戻し、以降
の処理は前実施例と同じインクリメンタル動作を行う。

【００３６】このような反射膜４０を使用すれば、基点
となる位置デ−タが得られるので、簡単な構成でセミ・
アブソリュ−トエンコ−ダを構成することができる。
なお、今まではリニア方式について説明したが、溝を円
上に配列した円板によって構成すれば同原理でロ−タリ
−エンコ−ダに適用できることは勿論である。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
レ−ザ光束を微細スポット径に絞り微細ピッチの溝を有
する反射膜へ照射し、反射膜の移動に伴い反射膜に形成
した微細ピッチの溝より回析・反射する戻り光を、４分
割受光素子により位相差正弦波信号として検出し反射膜
の変位量を計測するように構成したので、レ−ザビ−ム
のスポット径が１μｍ以下と小さくなり微細制御の要求
に応え得る高分解能のエンコ−ダを構成できる。また、
固定スリットが要らなくなりスリット表面のゴミ、傷に
よる妨害が少なくなる等の効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るレ−ザエンコ−ダのブ
ロック図である。

【図２】図１に示すレ−ザエンコ−ダの具体構成例を示
す図である。

【図３】図１に示す位相差信号検出手段の具体構成例を
示す図である。

【図４】本発明の一実施例の反射膜とスポット光の関係
を示す図である。

【図５】図１に示す位相差信号の波形例を示す図であ
る。

【図６】図１に示す位相差信号の波形例を示す図であ
る。

【図７】図１に示す位相差信号の波形例を示す図であ
る。

【図８】本発明の第２実施例に係るレ−ザエンコ−ダの
説明図である。

【図９】従来のエンコ−ダの概略構成を示す図である。

【符号の説明】

１ 位相差正弦波発生手段 ２ レ−ザ光測定手段 ３ 位相差信号検出手段 ４ 変位量計測手段 ２０ 反射板 ２１，４０ 透明基板 ２２ レ−ザ光源 ２３ コリメ−タレンズ ２４ ＰＢＳ ２５ 対物レンズ ２６ シリンドリカルレンズ ２７ ４分割受光素子 ２８ 対物レンズ駆動アクチュェ−タ ２９ 加減算器 ３０ ＡＭＰ ３１，３３，３５ 加算器 ３２，３４ 割り算器 ｅ１，ｅ２ 位相差正弦波信号

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光検出系により反射光の光量を検知する
   光学式エンコ−ダにおいて、 微細ピッチの溝を形成した反射膜に入射したレーザ光が
   反射回析して位相差正弦波を発生する位相差正弦波発生
   手段と、微細スポット径のレ−ザ光を前記反射膜へ照射
   し回析する戻り光を分割して４分割受光素子により受光
   するレ−ザ光測定手段と、前記４分割受光素子の受光出
   力より互いに９０度の位相差を有する位相差正弦波信号
   を検出する位相差信号検出手段と、前記位相差正弦波信
   号より前記移動スリットの変位量を計測する変位量計測
   手段を備えたことを特徴とするレ−ザエンコ−ダ。
2. 【請求項２】 前記移動位相差正弦波発生手段の各溝と
   同一線上に位置情報を示すビットパタ−ンを設けたこと
   を特徴とする請求項１記載のレ−ザエンコ−ダ。