JPH102761A - 光電式エンコーダ - Google Patents

光電式エンコーダ

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JPH102761A
JPH102761A JP15391196A JP15391196A JPH102761A JP H102761 A JPH102761 A JP H102761A JP 15391196 A JP15391196 A JP 15391196A JP 15391196 A JP15391196 A JP 15391196A JP H102761 A JPH102761 A JP H102761A
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JP
Japan
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light
grating
photoelectric encoder
grating element
substrate
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JP15391196A
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English (en)
Inventor
Toru Yaku
亨 夜久
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Mitutoyo Corp
Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Original Assignee
Mitutoyo Corp
Mitsutoyo Kiko Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 供給された光を一層効率的に利用することが
でき、その結果、出力信号の振幅が大きい光電式エンコ
ーダを提供する。 【解決手段】 拡散光DLは、インデックススケール1
3の第1格子14を透過する。このとき、格子素子17
の段差によって段差直下では光干渉が生じる。この光干
渉が明暗パターンの暗領域を形成する。第2格子15を
反射したり第3格子16を通過したりするにあたって、
格子素子18、19は光の通過を阻止する。その結果、
受光素子12では、メインスケール11の移動時、(格
子ピッチP/2)周期の出力信号が得られる。この出力
信号に基づいてメインスケール11の移動距離を測定す
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、少なくとも第1お
よび第2格子の相対移動時に生じる明暗の変化に応じて
検出された光量に基づいて相対移動の移動距離を測定す
る光電式エンコーダに関する。
【0002】
【従来の技術】例えば3つの格子を使用する反射型エン
コーダは知られている。この反射型エンコーダは、図1
に示すように、光源100から供給されてメインスケー
ル101で反射する光DLを用いてメインスケール10
1の図示上下方向X移動を測定する。メインスケール1
01の移動に伴って第1および第3格子102、104
に対する第2格子103の位置が変化し、その結果、受
光素子105が捕らえる光DLの光量が周期的に変化す
ることとなる。この周期的変化をカウントすることによ
ってメインスケール101の移動距離が測定される。
【0003】光量の周期的変化は、格子ピッチPでメイ
ンスケール101およびインデックススケール106に
等間隔に取り付けられた格子素子107、108によっ
て形成される。図2に示すように、反射型エンコーダで
は、第1〜第3格子102〜104をくぐり抜けた光が
受光素子105によって検出され電気信号OUTに変換
される。第2格子103が移動していくと、第1〜第3
格子102〜104をくぐり抜ける光は周期P/2で変
化を繰り返す。なお、図2では、理解を容易にすべく反
射型エンコーダが透過型エンコーダとして描かれてい
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】一般に、一層細かい分
解能を得るには、周期P/2で変化する信号を電気的に
分割(内挿)する。したがって、信号の振幅を大きくし
て雑音や分割精度の影響を低減することが望まれる。こ
のように信号の振幅を拡大するには受光素子を拡大すれ
ばよいが、メインスケールやインデックススケールのサ
イズによって受光素子の大きさには制約がつきまとう。
メインスケールやインデックススケールの寸法が機械的
な取付精度や機構構造、コストなどによって制約される
からである。
【0005】その一方で、第1〜第3格子の遮蔽機能に
よって受光素子が受け取る光量は非常に限定されること
となる。例えば、図2に示すように、第1〜第3格子1
02〜104を完全に通過する光は最大でもほんのわず
かな量に過ぎない。すなわち、遮蔽された光は格子素子
で散乱され、光が無駄に捨て去られていることとなる。
【0006】本発明は、上記実情に鑑みてなされたもの
で、供給された光を一層効率的に利用することができ、
その結果、出力信号の振幅が大きい光電式エンコーダを
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、第1発明によれば、第1格子ピッチで配列された格
子素子を用いて、光源からの光線を任意の明暗パターン
で通過させる第1格子と、第2格子ピッチで配列された
格子素子を用いて、第1格子を通過してきた光線の通過
を遮る第2格子と、第2格子を通過してきた光線の光量
を検出する受光素子とを備え、第1および第2格子の相
対移動時に生じる明暗の変化に応じて検出された光量に
基づいて相対移動の移動距離を測定する光電式エンコー
ダにおいて、前記第1格子では、前記格子素子が光透過
性に形成され、この格子素子に基づく光干渉を利用して
前記明暗パターンを生成することを特徴とする。
【0008】かかる構成によれば、第1格子では、格子
素子を透過する光に基づく光干渉によって明暗パターン
が形成されることから、第1格子で遮断される光が減少
する。その結果、より多量の光を受光素子まで送り込む
ことが可能となる。
【0009】また第2発明によれば、第1発明に係る光
電式エンコーダにおいて、前記第1格子は、前記格子素
子を支持する光透過性基体を備え、前記格子素子が形成
する基体表面の段差によって前記光干渉を生起させるこ
とを特徴とする。したがって、簡単な構成によって光干
渉型の明暗パターンを形成することができる。
【0010】さらに、第3発明によれば、第1または第
2発明に係る光電式エンコーダにおいて、前記格子素子
の厚みは、この格子素子を通過する光線の波長を半波長
分ずらす厚みに設定されることを特徴とする。かかる構
成によって、明暗パターンでは、明領域と暗領域とのコ
ントラストが最大限強調される。
【0011】さらにまた、第4発明によれば、第2また
は第3発明に係る光電式エンコーダにおいて、前記基体
はガラス基板であって、このガラス基板の表面にSiO
2 によって前記格子素子を成膜することを特徴とする。
このとき、格子素子を覆う光透過性保護膜をガラス基体
の表面に形成すれば、機械的強度を高めることができ
る。こういった材料に代えて、ガラス基板の表面に有機
樹脂から格子素子を成膜してもよい。
【0012】
【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照しつつ本発
明の好適な実施形態を説明する。
【0013】図3は本発明の第1実施形態に係る反射型
エンコーダを示す。この反射型エンコーダは、光源10
から照射される波長λの拡散光DLをメインスケール1
1の反射面11aで反射させて、反射した拡散光DLを
受光素子12で受光する。受光素子12は、受光した拡
散光の光量に応じた出力信号OUTを増幅回路(図示せ
ず)に向けて出力する。メインスケール11が移動する
と、一定周期P/2で変化する出力信号OUTが得られ
る。この出力信号OUTをカウントしたり内挿したりす
ることによってメインスケール11のX軸方向移動距離
が測定される。
【0014】出力信号OUTの周期P/2は、インデッ
クススケール13上に設けられた第1格子14と、メイ
ンスケール11上に設けられた第2格子15と、第1格
子14に隣接してインデックススケール13上に設けら
れた第3格子16とによって形成される。すなわち、第
1格子14では、第1格子ピッチPの等間隔で光透過性
の格子素子17が配列され、これら格子素子17に基づ
く光干渉を利用して任意の明暗パターンが形成される。
かかる明暗パターンの形成原理は後述される。
【0015】第2格子15では、第1格子ピッチPと等
しい第2格子ピッチPの等間隔で不透明なCr薄膜製格
子素子18が配列される。第1格子14を通過してきた
拡散光DLは、格子素子18で遮蔽されつつ反射面11
aによって反射される。同じく、第3格子16では、第
1格子ピッチPと等しい第3格子ピッチPの等間隔で不
透明なCr薄膜製格子素子19が配列される。第1およ
び第2格子14、15を通過してきた拡散光DLは、格
子素子19で遮蔽されつつインデックススケール13を
透過する。最終的に、第2および第3格子15、16の
格子素子18、19に遮蔽されなかった拡散光DLのみ
が受光素子12に達する。
【0016】図4を参照しつつ、第1格子14での明暗
パターンの形成原理を説明する。光源10から照射され
た拡散光DLはインデックススケール13を透過する。
このとき、光透過性の格子素子17を透過する拡散光D
Lでは、格子素子17を透過しない拡散光DLに比べて
光路長差dLが生じる。すなわち、屈折率nの透過媒体
からなる格子素子17では光路長L=ntが成立する。
ここで、tは格子素子17の厚みを意味する。一方、格
子素子17以外では、空気の屈折率n=1によって光路
長L=tが成立することから、両者の間には、dL=t
(n−1)の位相差が生じることとなる。格子素子17
の縁では光のわずかな回折によって隣接する光同士が干
渉を引き起こす。その結果、格子素子17が形成する段
差17a直下には暗領域20が形成される。こういった
干渉現象では、格子素子17の厚みtの設定を通じて光
路長差dL=λ/2(半波長)を生じされば最もコント
ラストの強い明暗パターンが得られる。すなわち、t=
λ/[2(n−1)]が成立することとなる。
【0017】こうして第1格子14に透明な格子素子1
7を適用することによって、図5に示すように、受光素
子12に達する拡散光DLは従来の2倍近くに達する。
その結果、光源10の出力を増加させることなく出力信
号OUTの振幅を2倍に引き上げることができる。光源
10の出力増加に伴う光源寿命の短期化や劣化阻止用パ
ッケージの必要性は回避される。また、振幅が小さい場
合に必要とされる回路の低雑音化やオフセット電圧の削
減といったコストアップ要因も回避される。しかも、各
格子素子17は両側縁で2つの段差を有することから、
同一格子ピッチPで2倍の明暗の繰り返しを得ることが
可能となる(再び図4を参照のこと)。なお、図5で
は、第1および第2格子14、15間のギャップGpは
2 /λ以上の広さに設定され、受光素子12の受光量
が最大となるインデックススケールおよびメインスケー
ルの相対位置関係となっている。
【0018】図6を参照しつつ光透過性格子素子17の
製造方法を説明する。例えば格子素子17の形成には、
SiO2 や有機樹脂といった透明な素材を用いたフォト
リソグラフィ技術が採用される。まず、図6に示すよ
うに、ガラス基板30といった光透過性基体の表面に格
子素子用薄膜31を成膜する。SiO2 の場合にはスパ
ッタリングで成膜すればよく、有機樹脂の場合にはスピ
ンコートで成膜すればよい。続いて、図6に示すよう
に、薄膜31上に例えばポジレジスト32を塗布する。
露光時には、図6に示すように、格子ピッチPで遮蔽
光素子が配列されたマスク基板33をポジレジスト32
上空に配置する。
【0019】図6に示すように、レジストを現像する
と、ポジレジスト32では、露光によって光の照射され
た部分が取り除かれ、薄膜31上にはレジストパターン
34が形成される。このレジストパターン34を用いて
エッチングを行うと、図6に示すように、レジストパ
ターン34によって薄膜31にはパターン形成がなされ
る。図6に示すように、レジストパターン34を除去
すれば、格子ピッチP間隔の格子素子17が得られる。
格子素子17の機械的強度が不十分な場合には、図6
に示すように、できあがった格子素子17の上から透明
な保護膜35を成膜してもよい。保護膜35の厚みt1
は限定されないが、格子素子17の段差を維持したまま
均一に成膜されることが望ましい。
【0020】図7では、図6のエッチングによって完
全に薄膜31を取り除かずにエッチングの深さを制御す
ることによって薄膜31に一体化された格子素子17す
なわち段差17aが形成される。こうすることによって
堆積させる膜厚の制御(図6の成膜時)を大雑把にす
ることができる。
【0021】図8は本発明の第2実施形態に係る反射型
光電式エンコーダを示す。この第2実施形態では、第1
格子14に加え、第3格子16を光透過性の格子素子2
5で形成したことが特徴とされる。前述した第1実施形
態と同様な構成については同一の参照符号を付してその
詳細な説明を省略する。かかる構成は、アレイ型の受光
素子を採用した場合に特に有効である。
【0022】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、光透過性
格子素子に基づく光干渉を利用して第1格子の明暗パタ
ーンを形成するので、受光素子に達する光は従来よりも
増加する。その結果、光源の出力を増加させることなく
受光素子の出力信号の振幅を拡大させることができる。
したがって、光源の出力増加に伴う光源寿命の短期化や
劣化阻止用パッケージの必要性は回避される。また、出
力信号の振幅が小さい場合に必要とされる回路の低雑音
化やオフセット電圧の削減といったコストアップ要因も
回避される。
【図面の簡単な説明】
【図1】 反射型光電式エンコーダの全体構造を示す図
である。
【図2】 各格子を通過する明暗パターンを示す図であ
る。
【図3】 本発明の第1実施形態に係る反射型光電式エ
ンコーダの全体構成図である。
【図4】 透過性格子素子を用いた明暗パターン形成原
理を説明する図である。
【図5】 透過性格子素子の利用によって増加した受光
量を示す図である。
【図6】 透過性格子素子の製造方法を示す図である。
【図7】 段差を介して透過性格子素子が一体化された
薄膜を示す図である。
【図8】 本発明の第2実施形態に係る反射型光電式エ
ンコーダの全体構成図である。
【符号の説明】
12 受光素子、14 第1格子、15 第2格子、1
7、25 光透過性の格子素子、DL 光源からの光線
としての拡散光、P 第1および第2格子ピッチ。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1格子ピッチで配列された格子素子を
    用いて、光源からの光線を任意の明暗パターンで通過さ
    せる第1格子と、第2格子ピッチで配列された格子素子
    を用いて、第1格子を通過してきた光線の通過を遮る第
    2格子と、第2格子を通過してきた光線の光量を検出す
    る受光素子とを備え、第1および第2格子の相対移動時
    に生じる明暗の変化に応じて検出された光量に基づいて
    相対移動の移動距離を測定する光電式エンコーダにおい
    て、 前記第1格子では、前記格子素子が光透過性に形成さ
    れ、この格子素子に基づく光干渉を利用して前記明暗パ
    ターンを生成することを特徴とする光電式エンコーダ。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の光電式エンコーダにお
    いて、前記第1格子は、前記格子素子を支持する光透過
    性基体を備え、前記格子素子が形成する基体表面の段差
    によって前記光干渉を生起させることを特徴とする光電
    式エンコーダ。
  3. 【請求項3】 請求項1または2に記載の光電式エンコ
    ーダにおいて、前記格子素子の厚みは、この格子素子を
    通過する光線の波長を半波長分ずらす厚みに設定される
    ことを特徴とする光電式エンコーダ。
  4. 【請求項4】 請求項2または3に記載の光電式エンコ
    ーダにおいて、前記基体はガラス基板であって、このガ
    ラス基板の表面にSiO2 からなる前記格子素子を成膜
    することを特徴とする光電式エンコーダ。
  5. 【請求項5】 請求項4に記載の光電式エンコーダにお
    いて、前記ガラス基板の表面には、前記格子素子を覆う
    光透過性保護膜が形成されることを特徴とする光電式エ
    ンコーダ。
  6. 【請求項6】 請求項2または3に記載の光電式エンコ
    ーダにおいて、前記基体はガラス基板であって、ガラス
    基板の表面に有機樹脂からなる前記格子素子が成膜され
    ることを特徴とする光電式エンコーダ。
JP15391196A 1996-06-14 1996-06-14 光電式エンコーダ Pending JPH102761A (ja)

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