JPH073344B2 - エンコ−ダ− - Google Patents

エンコ−ダ−

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JPH073344B2
JPH073344B2 JP62148207A JP14820787A JPH073344B2 JP H073344 B2 JPH073344 B2 JP H073344B2 JP 62148207 A JP62148207 A JP 62148207A JP 14820787 A JP14820787 A JP 14820787A JP H073344 B2 JPH073344 B2 JP H073344B2
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哲 石井
公 石塚
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    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
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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ーやリ
ニアエンコーダー等の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ロータリ
ーエンコーダーやリニアエンコーダーが良く知られてい
る。
第６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。51，52は各々1/4波長板、41，42は回折格子３の傾
きによっ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、又はコーナーキューブ反射鏡、６はビームス
プリッター、71，72は偏光板で各々偏光軸は互いに直交
しており、更に1/4波長板51，52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51，52を介してコーナーキューブ反射鏡41，42で反射
させて、回折格子３に再度入射し再び正と負のｍ次の回
折光となって重なり合いビームスプリッター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51，5
2と偏光板71，72の組み合わせによって互いに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６図に示すリニアエンコーダーは光束の回折格子３へ
の再入射をダハプリズムやコーナーキューブ反射鏡等の
反射手段を用いて行っている。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ューブ反射鏡等
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の格子ピッ
チが3.2μｍ、レーザー１の使用波長が0.78μｍとし第
１次回折光を利用したとすれば回折角度はsin-1（0.78/
3.2）＝14.2度となる。０次回折光と反射手段を分離す
るための回折格子３の光束入射位置での法泉（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/tan14.2°＝59（mm）離れた
位置に配置しなければならない。従ってダハプリズムや
コーナーキュ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か、又、一般にダハプリズムやコー
ナーキュ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ューブ反射鏡
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、及び製作上の
容易さを図ったエンコーダー、例えばロータリーエンコ
ーダーや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） 可干渉性光束を回折格子に入射させ、該回折格子からの
回折光を再度前記回折格子に入射させ、該回折格子から
の回折光より干渉光を形成し、該干渉光の明暗を計数す
ることにより前記回折格子の移動量を測定するエンコー
ダにおいて、 前記可干渉性光束を２分する手段と； ２分された光束の一つの光束が前記回折格子に入射して
回折される第１の回折光と、他の光束が前記回折格子に
入射して回折され、前記第１の回折光とは同次数の符号
が異なる第２の回折光とを、同一の予め決められた方向
に回折せしめるように前記２分された光束を前記回折格
子に入射させる手段と； 前記第１、第２の回折光を反射させ前記予め決められた
方向から前記回折格子に再度入射させる反射手段と を有することである。
（実施例） 第１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６図に示す要素と同一のものには同符番を
付してある。第１図において９は偏光ビームスプリッタ
ー、101，102は反射鏡、11は端面結像型の屈折率分布型
の光学部材で、一方の端に反射膜12が施されている。光
学部材11と反射膜12より集光系20を構成している。
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によて略平行光束とし、偏光ビームスプリ
ッター９に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。このときレ
ーザー１の出射光束の直線偏光方位が偏光ビームスプリ
ッター９に対して45度となるようにレーザー１の取付位
置を調整している。これにより偏光ビームスプリッター
９からの透過光束と反射光束の強度比が略1:1となるよ
うにしている。
そして偏光ビームスプリッター９からの反射光束と透過
光束を1/4波長板51，52を介して円偏光とし、反射鏡1
01，102で反射させて回折格子３に入射させる際、対象
とする回折格子３からのｍ次回折光が回折格子３から略
垂直に反射するように入射させている。
即ち回折格子３の格子ピッチをＰ、可干渉性光束の波長
をλ、ｍを整数とし、可干渉性光束の回折格子３への入
射角度をθｍとしたとき θｍ≒sin-1（ｍλ/P） ……（１） となるように入射させている。
回折格子３から略垂直に射出したｍ次回折光を光学部材
11に入射させている。光学部材11の焦点面近傍には反射
膜12が施されているので、入射した光束は第２図に示す
ように反射膜12で反射した後、元の光路を戻り光学部材
11から射出し、再度回折格子３に入射する。
そして回折格子３で再度回折されたｍ次の反射回折光は
元の光路を戻り、反射鏡、101，102で反射し、1/4波長
板51，52を透過し偏光ビームスプリッター９に再入射す
る。
このとき再回折光は1/4波長板51，52を往復しているの
で、偏光ビームスプリッター９で最初反射した光束は再
入射するときは偏光ビームスプリッター９に対して偏光
方位が90度異なっている為、透過するようになる。逆に
偏光ビームスプリッター９で最初透過した光束は再入射
したとき反射されるようになる。
こうして偏光ビームスプリッター９で２つの回折光を重
なり合わせ1/4波長板53を介した後、円偏光とし、ビー
ムスプリッター６で２つの光束に分割し、各々偏光板
71，72を介した後、直線偏光とし受光素子81，82に各々
入射させている。
尚、（１）式の角度θｍは回折光が集光系20に入射し、
再度回折格子３に入射出来る程度の範囲内であれば良い
ことを示している。
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
ッチ移動すると2mπだけ変化する。従って受光素子81，
82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ピッチ分移動
すると4m個の正弦波信号が得られる。
例えば回折格子３のピッチ3.3μｍ、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51，52，53及び偏光板71，72の組み合わ
せによって受光素子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つでも良く、又、1/4波長板53、ビームスプ
リッター６は不要である。
本実施例における集光系20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。
又、本実施例では可干渉性光束の回折格子３への入射角
度を前述の如く設定すると共に集光系を用いることによ
り装置全体の小型化を図っている。
例えば回折格子３の格子ピッチ3.2μｍ、レーザー１の
波長を0.78μとすれば、±１次の回折光の回折角度は先
に述べたように14.2度である。そこで光学部材11として
直径2mm程度の屈折率分布型レンズを用いて、±１次の
回折光のみを反射させる場合、回折格子３から、レンズ
11までの距離は2/tan14.2°＝7.9mmとなり、8mm程度離
せば良く、装置全体を極めて小型に構成することができ
る。
尚、本実施例では光学部材11として屈折率分布型レンズ
を用いているが、第３図のように集光レンズ13と反射鏡
14の組み合わせで構成しても良い。
又、本実施例においては反射回折光を用いているが第４
図のように集光系20を配置して透過回折光を利用しても
良い。
第５図は本発明の別の実施例である。同図において第１
図の要素と同一要素には同符番を付してある。第５図に
おいて15は偏光プリズムで、第１図の実施例における偏
光ビームスプリッター９と同一の機能を有するものであ
る。又、16は折り返しプリズムで、第１図の実施例にお
ける反射鏡101，102の組み合わせと同一の機能を有して
いる。
本実施例ではレーザー１からの光束をコリメーターレン
ズ２により略平行光とし、偏光プリズム15に入射させて
いる。偏光プリズム15に入射させた光束は反射面15a,15
bで反射させた後、偏光ビーム分割面15cで反射光束L1と
透過光束L2の２つの光束に分割している。反射光束L1と
透過光束L2は各々反射面15a,15dで反射し、面15bより射
出して、1/4波長板51，52を透過した後、折り返しプリ
ズム16で所定角度屈折させ、回折格子３に前述の条件を
満足するように各々入射させている。
そして回折格子３で回折した所定次数の回折光を集光系
20を介し、再度回折格子３に入射させ、回折格子３から
の２つの再回折光を折り返しプリズム16と偏光プリズム
15を介し重ね合わせた後、第１図の実施例と同様に1/4
波長板53を透過させ、ビームスプリッター６で２つの光
束に分割して各々偏光板71，72を介した後、受光素子
81，82で各々受光している。
尚、以上の各実施例ではリニアエンコーダーについて説
明したがロータリーエンコーダーについても全く同様に
適用することができる。
（発明の効果） 本発明によれば前述の如く可干渉性光束の回折格子への
入射角を設定すると共に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
作上の容易さを図った高精度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，
第３図は各々第１図の一部分の光学作用の説明図、第４
図は第１図の実施例において一部変更したときの部分説
明図、第５図は本発明の他の実施例の光学系の概略図、
第６図は従来のリニア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は回
折格子、41，42はコーナーキューブ反射鏡、51，52，53
は1/4波長板、６はビームスプリッター、71，72は偏光
板、81，82は受光素子、９は偏光ビームスプリッター、
101，102は反射鏡、20は集光系である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石塚 公 神奈川県川崎市高津区下野毛770番地 キ ヤノン株式会社玉川事業所内 (56)参考文献 特開 昭60−98302（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−130816（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】可干渉性光束を回折格子に入射させ、該回
    折格子からの回折光を再度前記回折格子に入射させ、該
    回折格子からの回折光より干渉光を形成し、該干渉光の
    明暗を計数することにより前記回折格子の移動量を測定
    するエンコーダにおいて、 前記可干渉性光束を２分する手段と； ２分された光束の一つの光束が前記回折格子に入射して
    回折される第１の回折光と、他の光束が前記回折格子に
    入射して回折され、前記第１の回折光とは同次数の符号
    が異なる第２の回折光とを、同一の予め決められた方向
    に回折せしめるように前記２分された光束を前記回折格
    子に入射させる手段と； 前記第１、第２の回折光を反射させ前記予め決められた
    方向から前記回折格子に再度入射させる反射手段と を有することを特徴とするエンコーダ。
  2. 【請求項２】前記反射手段が焦点面近傍に反射面を設け
    た集光系を有することを特徴とする特許請求の範囲第１
    項記載のエンコーダ。
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