JPS5999220A - 光電式のエンコ−ダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （１） 本発明は相対的な移動量を測定する光電式のエンコーダ
、特に回折格子を用いたエンコーダに関する。第１図は
透過型の回折格子と反射型の回折格子とを組合わせたエ
ンコーダの基本的々光学系であって、光源１からの射出
光はコリメータレンズ２によりほぼ平行光になり、半透
鏡５を透過した後、透過型の回折格子３に入射する。回
折格子３によシ異なった次数に回折された回折光は、反
射型の回折格子４により更に回折される。回折格子４に
より回折された回折光は、再び透過型の回折格子３によ
シ回折され、反透鏡５により反射され、集光レンズ６に
よって光電変換素子７上に集光される。第２図に示した
如く、透過型の回折格子３による回折光のうち、任意に
選択した２つの回折光の次数をｍｌ。、ｍ１１とし、反
射型の回折格子４で上記次数ｍ１゜、ｍｌ、の回折光が
回折された後、透過型の回折格子３によりさらに回折さ
れた光のうち、同方向に回折されて測定に利用される回
折光の次数を”ｔｏ、ｍ□とすれば、次数ｍ、。の回折
光と次数ｍ１．の回折光とが光電変換素子７上で干渉（
２） する。回折格子４に対して回折格子３が移動することに
よシ光電変換素子７にて得られる信号Ｈ：Ｃ）は、 Ｉ　Ｉ”）−Ａ　＋　ｆ３５ｌｎＣＹ飾１．−１−ｍｔ
＋）　−（ｍ、。−１−ｍ、。））＋９＋’］となる。

但し、上式において、Ａ％Ｂは定数、ｄは格子定数、Ｘ
は透過型の回折格子３の移動量、ψは位相項である。

第２図は％ｍ、、　＝　ｍ、、　＝　１　、　ｍ、、　
＝　ｍ、、　＝　０の場合を示したもので、この場合に
は上式は２π Ｉ　（”）　−Ａ　＋　Ｂ　ｓｔｎ　（２ｘ　・ａ　＋
ｑ　）となる。

ここで、ｄ＝２μｍとすれば Ｉ（”ｌ−Ａ＋Ｂ　５ｉｎ（２π−ｚ＋ψ）である。す
なわち、この式によれば、透過型の回折格子３が１μｍ
移動するごとに周期的に変化する正弦波状信号が光電変
換素子７より得られるこ（３） とがわかる。

一般的には、透過型の回折格子３の移動量を方、　向も
含めて高精度で測定するために、反射型の回折格子４を
２個又は４個互いに得られる信号の位相項ψがｉずれる
ように配置すると共に、分割した各々の回折格子４に対
応せしめて光電変換素子を配設している。その結果、各
々の回折格子に対応して配設された光電変換素子から得
られる信号は、 ｘ Ｌ　＝　Ａ　十Ｂ　ｓｉｎ　（２π・７　＋９’）ｘ Ｉｖ　＝Ａ　＋Ｂ　ｃｏｓ　（２ｙｒ・−ｚ　＋（Ｐ）
ｘ Ｉ　ｓ　＝Ａ　　Ｂ　Ｓ　ｌｎ　（２π・ａ　＋ψ）ｘ Ｉ４　＝　Ａ　−Ｂ　ｃｏｓ　（２π・７　＋　ｑ））
となシ、これらの信号を適当な回路を通すことによって
信号Ｉ＋　　　Ｉｓ、Ｉ、−Ｉ、を求めればｘ Ｌ　−Ｉｓ　＝　２　Ｂ　ｓｉｎ　（２ｙｔ・、　十＜
Ｈ＋）ｘ Ｉ、　−Ｉｎ　＝　２　Ｂ　ｃｏｓ　（２ｒｃ−７＋　
９＋）（４） となる。

すなわち、信号Ｉ、−ＴいＩ、　−１，を求めれば、定
数Ａを除去することができると共に、位相がｉ異なった
信号が得られるので、この２つの信号Ｉ、　−１，、Ｉ
、　−１，を適当な回路に通すことにより回折格子３の
移動量が高精度に測定できることになる。これら信号処
理の過程は、回折格子以外の光電式エンコーターと共通
である。以上は、多くの回折光のうち移動量の測定に必
要な次数の回折光のみを取シ出した説明であるが、実際
には所望の次数以外の次数の回折光が光電変換素子に入
射するので、光電変換素子の出力信号は値（（ｍｕ＋ｍ
□）−（ｍ、。十ｍ、。））の異なった工（π）が重畳
する結果、きれいな正弦波形とはならない。すなわち、
第３図において、第３図（ａ）は所望の次数の回折光の
みによって得られる光電変換素子の出力信号、第３図（
ｂ）け所望の次数の回折光より得られる■（π）に飴（
（ｍ１＋　＋　ｍ、、　）　　（ｍＩ−十ｍ、。））の
小さい■（τ）を重畳した場合の光電変換素子の出力信
号、第３し１（Ｃ）は所望の次数の回折光よシ得られる
Ｉ　（２１（５） に値（（ｍｕ　＋　ｍＪ−（ｍｌ、　十ｍｔ。））の大
きい■ｆＺ）を重畳した場合の光電変換素子の出力信号
である。信号の分割によってよシ細かな移動量を測定し
ようとする場合、第３図（ｂｌ、（Ｃ）の如く正弦波形
から掛は離れた信号は特に誤差の原因になると共に、補
正のために分割回路が複雑になるという欠点がある。

本発明は、回折格子を用いた光電式のエンコーダにおい
て、正弦波状の信号を得ることを目的とする。

以下、図面に示した実施例に基づいて本発明を説明する
。

まず簡単のために、前述の式 においてｆ（ｍ＋＋＋ｍＪ　−（ｍ＋０＋ｍｔｏ）　）
　＝　／とし、例えばｍ、、　＝　ｍ、、　＝　１　％
ｍ、、　＝＝　ｍｔａ　−Ｑを選択することによってｌ
＝２と成した場合を考える。

Ａ＝２とすれば上式の■（２＋は、 ■（π）＝Ａ＋Ｂ５１ｎ〔Ｔ・２π十ψ〕（６） となる。従って、信号Ｉ　（−Ａは透過型の回折格子３
ｄ の移動−１ｉｔ　ｚが１毎に同じ値をとることにガる。

一方、１＝＝１とすれば、Ｉ　（ｚ−１はＩ　（ｚｌ＝
　Ａ　十Ｂ　ｓｉｎ　（÷・２π＋ψ〕となるから、Ｉ
　（１；）は移動量ｚが共毎に符号の反転゛した値をと
ることになる。

従って、あらかじめヰずれた反射型の回折格子４の対を
一組として分割格子を構成すれば光電変換素子７上では
、／−２の信号は２つの回折格子４からの回折光が加算
された信号となるが、ｌ−１の信号は２つの回折格子４
からの回折光が打ち消し合って、はとんど無くなってし
まう。

このような分割格子と成した反射型の回折格子４の例を
第４図に示し、第５図にこの回折格子を使った本発明の
一実施例の光学系を示す。

第４図に示したように、回折格子４は８つの格子Ａ％Ｂ
％Ｃ，Ｄ％Ｅ、Ｆ％Ｇ、Ｈに分割され、格子りは５ｄ、
格子Ｅは２ｄ、格子Ｆは６ｄ、格８　　　　　　　　８
　　　　　　　　８（７） 子Ｇは−ｄ、格子Ｈは一！−ｄ、位相がずれている。

８ す々わち、格子ＡとＢ１格子ＣとＤ１格子ＥとＦ１格子
ＧとＨが組を成し、各組が各々分割格子を構成する。

このような反射型の回折格子４が第５図に示した如く、
透過型の回折格子３に対向せしめて配設されている。光
電変換器７０は、回折格子４の各格子の組に対応して光
電変換素子が計４つ設けられて構成されている（７　ａ
、　７　ｂ、　７　ｃｓ　７　ｄ）。

すなわち、格子ＡとＢからの回折光は光電変換素子７ａ
に、格子ＣとＤからの回折光は光電変換素子７ｂに、格
子ＥとＦからの回折光は光電変換素子７Ｃに、そして格
子ＧとＨからの回折光は光電変換素子７ｄに入射する。

集光レンズ６と光電変換器７０との間にある集光レンズ
６の後側焦点位置には空間フィルタとしてのピンホール
板８が配設されており、光軸及びその付近の光のみ透過
し、それ以外の不必要な光が光電変換器７０に入射する
ことを防いでいる。

このような光学系によれば、所望の回折光に対（８） して大きな角度を有する回折光は、ピンホール板８にて
ほとんど遮断される。光電変換素子７ａｓ７ｂ、７ｃ、
７ｄに達した回折光から生ずる／−１の信号は前述の如
く除去されると共に、ｌ＝１以外の奇数の信号の場合も
同様に除去される、ｌが偶数の場合、１＝−２は１８＝
２と同一の信号であるからそれによる悪影響は無く、従
って、影響の最も大きいのは／＝４の場合となる。／＝
４の信号はｌ＝２の信号に対して２倍の高い周波数であ
るから、透過型の回折格子３と反射型の回折格子４とを
互いの格子の方向がわずかにねじれる如く成すことによ
って、はとんど除去することもできる。その結果、それ
より高い周波数であるｌ−６等も除去できる。勿論、電
気的なフィルタにより除去することもできる。しかし力
から、周波数が２倍程度では上述のねじれの構成によっ
て完全に除去するのは難しいので完全に除去するために
は透過型の回折格子３をさらに分割すれば良い。

すなわち、第６図に示した如く、第４図の格子Ａを１ｄ
ずれた２つの格子ＡＩ　、Ａｔに分割すると共に、（９
） 格子Ｂも互いに−２−ｄずれた２つの格子Ｂ１、Ｂ、に
分割することによって、格子Ａ７、Ａ、による信号及び
格子ＢＩ％Ｂ、による信号は、／＝４の信号に対しては
位相がπずれるので打ち消し合う如く成すことができる
。ｌ−２の信号に対しては格子Ａ１、んによる信号及び
格子Ｂ１、Ｂ、による信号は位相が了ずれるのでコント
ラストが低下し、位相もずれるが、１＝４の影響のない
きれいな正弦波であるから、測定には伺ら支障なく利用
することができる。勿論、格子Ａ、Ｂ以外の格子Ｃ％Ｄ
％Ｅ％Ｆ、Ｇ。

Ｈについても同上である。

このようにして、各々の光電変換素子７ａ、７ｂ、７Ｃ
１７ｄから得られる信号をほぼ正弦波状と成すことがで
きる。従って、各々の光電変換素子７ａ、７ｂ、７ｃ、
７ｄの信号を適当に組み合わせて正確な分割読取りを行
がうととも可能である。

なお、以上に説明した／＝２の信号を得る場合は、通常
最も採用し易い構成であるが、話を一般化してｌ　＝　
ｎの信号を得るためにＡ＝ｍの信号を（１０） 消す場合を考えてみると、この場合には、２分割した反
射型の回折格子の一方を他方に対して−ｐ−（１＋２ｋ
）ｄずらして配設すれば良いことがわかる。

但し、この式でｐはｎ　＝　２　ｍ　ｐを満足する整数
、ｋは任意の整数である。このように２分割した回折格
子のずれ量を定めると、Ａ−２πであるから、各々の回
折格子からの回折光はｌ　＝　ｎに対してはｐ（１＋２
ｋ）ｘ２πずれることになシ、互いに同相であるから強
めあって正弦波信号が生ずるが、ｌ＝ｍの光に対しては
、−−２πであるから、各々の回折格子からの回折光は
（１千２ｋ）ｘπずれることになシ互いに逆相であるか
ら、打消し合って信号が生じないことになる。前述の実
施例はｎ　＝　２、ｍ＝ｌ、ｐ　＝　１、ｋ＝０の場合
である。

また、以上の説明では、透過型の回折格子３を移動格子
としたが、透過型の回折格子３は固定でそれ以外の部材
（第５図で言えば部材１．２．４．５．６．７．８）を
移動する如く成しても良いことは勿論である。

さらに、透過型の回折格子３を第４図の如く分（１１） 割格子として構成し、反射型の回折格子（この格子は第
４図のようには分割されていない第１図の格子４のよう
なもので良い）４のみを移動させるようにしても良い。

以上述べた如く本発明によれば、２つの回折格子を対向
せしめた光電式のエンコーダにおいて、集光レンズの後
側焦点位置に光軸及びその付近の光のみ透過する空間フ
ィルタを配設すると共に、前記回折格子の一方（インテ
ックス格子）を、光電変換素子の出力信号から誤差成分
を除去すべく、所定量ずらした分割格子として構成した
ので、正弦波状の信号を得ることができる。従って、得
られる信号を内挿することによってより細かな移動量を
読み取る如く例えば分割回路を用いた場合にも正確な読
み取シが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は回折格子を用いた光電式のエンコーダの基本的
な光学系を示す図、第２図は透過型の回折格子と反射型
の回折格子による回折光の光路図、第３図は移動格子の
移動による光電変換素子の出（１２） 力波形図、第４図は本発明の実施例の反射型の回折格子
の配置図、第５図は本発明の実施例の光電式のエンコー
ダの光学系、第６図は反射型の回折格子の他の例の配置
図を示す図である。 〔主要部分の符号の説明〕 １・・・・・・光源、２・・・・・・コリメータレンズ
、３・・・・・・出願人　日本光学工業株式会社 代理人　渡　　辺　　隆　　男 （１３） ／

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 測定光としての平行光束中に、相対的に移動する透過型
   の回折格子と反射型の回折格子とを対向して配設し、前
   記反射型の回折格子からの反射光を集光レンズ系によっ
   て前記透過型の回折格子を介して光電変換素子上に集光
   せしめ、前記透過型の回折格子と前記反射型の回折格子
   のいずれか一方を前記光電変換素子に対して位置変化の
   ないように一体と成し、前記一方の回折格子に対する他
   方の回折格子の移動量を読み取る光電式のエンコーダに
   おいて、前記集光レンズ系の後側焦点位置に光軸及びそ
   の付近の光のみ透過する空間フィルタを配設すると共に
   、前記一方の回折格子を、前記光電変換素子の出力信号
   から誤差成分を除去す「２ べく、所定量位相のずれば格子から成る分割格子として
   構成したことを特徴とするエンコーダ。