JPS62200218A - 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】 く技術分野〉 本発明はエンコーダーに関し、特に移動又は回転物体に
取付けた回折格子に可干渉光束を入射させ、該回折格子
からの回折光を利用して物体の移動状態や回転状態を検
出するエンコーダーに関する。

〈従来技術〉 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ＩＩＬｍ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
したリニアエンコーダーが良く知られている。

一方フロッピーデスクの駆動等のコンピューター機器、
プリンター等の事務機器、あるいはＮＣ工作機械さらに
はＶＴＲのキャプステンモーターや回転ドラム等の回転
機構の回転速度や回転速度の変動量を検出する為の手段
として光電的なロータリーエンコーダーが利用されてき
ている。

光電的なロータリーエンコーダーは例えば第３図に示す
ように回転軸３０に連絡した円板３５の周囲に透光部と
遮光部を等間隔に設けた、所謂メインスケール３１とこ
れに対応してメインスケールと等しい間隔で透光部と遮
光部とを設けた所謂固定のインデックススケール３２と
の双方のスケールを投光手段３３と受光手段３４で挟ん
で対向配置した所謂インデックススケール方式の構成を
採っている。この方法はメインスケールの回転に伴って
双方のスケールの透光部と遮光部の間隔に同期した信号
が得られ、この信号を周波数解析して回転軸の回転速度
の変動を検出している。この為、双方のスケールの透光
部と遮光部とのスケール間隔を細かくすればする程、検
出精度を高めることができる。しかしながらスケール間
隔を細かくすると回折光の影響で受光手段からの出力信
号のＳ／Ｎ比が低下し、検出精度が低下してしまう欠点
があった。この為メインスケールの透光部と遮光部の格
子の総本数を固定させ、透光部と遮光部の間隔を回折光
の影響を受けない程度まで拡大しようとするとメインス
ケールの円板の直径が増大し更に厚さも増大し装置全体
が大型化し、この結果被検回転物体への負荷が大きくな
ってくる等の欠点があった。

この様な従来のロータリーエンコーダーの欠点を解消す
る１つの手段として、干渉縞を利用した前述のりエアエ
ンコーダーの測定原理を直接ロータリーエンコーダーに
適用することも考えられる。

しかしながら、この種な干渉縞を利用する方式では、互
いに干渉させる回折光の強度を等しくすることが干渉縞
の明暗比を上げる為に必要であり、通常同次数同志の回
折光を干渉させて検出していた。一方、この干渉縞を検
出する際の測定に於る分解能は互いに干渉させる回折光
の次数に比例し、より高次の回折光を用いるほど分解能
は高くなるが、通常高次回折光はど強度が小さくなる為
に測定の際光量不足になるという欠点を有していた。従
って、従来の方式では分解能は低いけれども、±１次等
の同次数の回折光を利用して測定する以外に方法はなか
った。

〈発明の概要〉 本発明の目的は、上記従来の問題点に鑑み、異次数同志
の回折光を用いても高い明暗比の干渉縞を得ることが出
来、高分解能を有するエンコーダーを提供するこ匁とに
ある。

上記目的を達成する為に、本発明に係るエンコーダーは
、可干渉光束を得る為の光源手段と前記可干渉光束を異
なる強度比で分割する光分割手段と前記光分割手段で分
割された複数の光束を移動可能な回折格子に向ける第１
光学手段と前記回折格子からの出射する異なる次数の回
折光を重ね合わせる第２光学手段と前記第２光学手段で
得られる重ね合わされた光束を受光する受光手段とを有
し、前記受光手段からの信号より前記回折格子の移動状
態を検出することを特徴とする。

尚、本発明の更なる特徴は以下に示す実施例から理解で
きるであろう。

〈実施例〉 第１図は本発明に係るエンコーダーの一実施例を示す図
で、ロータリーエンコーダを示している。図中、１はレ
ーザ、２はレーザ１から出射する可干渉光束を平行光束
にするコリメータレンズ、３は２個の台形プリズムを貼
り合わせて成る光学部品、４は光学部品３の貼り合わせ
面で、偏光ビームスプリッタ−と同機能の光分割面であ
る。５及び７は反射鏡、６は回転物体上に取付けられた
放射格子で、回転物体の回転中心と放射格子の中心Ｏは
大略一致している。

８及び１０は％波長板で放射格子６に入射比する光束の
偏光方向を変える。９及び１０は放射格子６から出射す
る特定次数の回折光を再度放射格子６に指向させる為の
反射手段で、キャラアイ光学系から成る。尚、反射手段
９，１０は通常の反射鏡でも構わない。１２は％波長板
で、光学部品３を介して重ね合わされた光束の偏光方位
を円偏光にする。１３は光分割器、１４及び１６は偏光
板、１５及び１７は受光手段で光電変換素子等から成る
。又、Ｏは放射格子６の中心、Ｍｌ、Ｍ２は放射格子６
上の任意の位置を示す。

本実施例ではレーザ１より放射される光束をコリメータ
レンズ２によて平行光束とし光学部品３に入射させ、光
学部品３を成す台形プリズムの斜面で反射させた後、そ
の光分割面４へ所定の角度で入射する様に指向する。こ
の光分割面４に入射した平行光束は所定の強度比で反射
光束と透過光束の２つの直線偏光した光束に分割される
。尚、本実施例に於るレーザ１は半導体レーザを用いて
いる為、光束は予め所定の方向に直線偏光している。さ
て、光分割面４で分割された２光束の内１反射光束は光
学部品３の光束入射出面と斜面とで内部反射を繰り返し
、入射時と平行な状態で光学部品３から出射する。出射
した反射光束は反射鏡５により放射格子６の所定の位置
Ｍ１へ所定の入射角で入射するが、このとき放射格子６
からの特定次数、例えば−ｍ次の回折光が放射格子６か
ら略垂直に射出するように光束を入射させている。そし
て放射格子６に入射し回折した透過回折光のうち特定次
数の回折光を％波長板８を介して反射手段９により反射
させ、同一光路を逆行させ放射格子６上の略同−位置Ｍ
１に再入射させている。即ち、ここでは、放射格子６に
より垂直に出射した回折光が％波長板８により一旦その
偏光方位を円偏光に変化せしめられ、反射手段９で反射
され再度と波長板を通過することにより、放射格子６に
より再回折された特定次数の回折光を入射したときと９
０度偏光方位の異なる直線偏光光として、反射鏡５に指
向している。そして、反射鏡５で反射された特定次数の
回折光は再度同一光路を逆行し、光学部品３に入射して
内面反射を繰り返しその光分割面４へ達する。

尚、本実施例では上述した様に光分割面４から反射手段
９に至る特定次数の回折光の往復光路を同一としている
。又、反射手段９として適用しているキャッツアイ光学
系は、反射鏡４０、集光レンズの略焦点面上に配置し、
集光レンズに平行に入射してきた特定次数の回折光のみ
を反射鏡で反射させた後、元の光路を逆戻りするように
している。そして、その他の次数の回折光を所定の手段
により遮光するものであり、通常の反射鏡等を用いて回
折光を反射させるのに比べ、例えばレーザーの発振波長
が変化し、回折角が多少変化しても略同じ光路で戻すこ
とができる特徴がある。

又、キャッツアイ光学系に、第１図に示す反射手段９の
如き屈折率分布型レンズ、例えば日本板硝子社製のセル
フォックマイクロレンズ（商品名）等を適用し、その両
端平面な点に着目して片面に反射膜を設けることにより
、構成が簡便で且つ又生産性に富む光学素子として本発
明に有効に適用することができる。

又、キャッツアイ光学系の代わりにコーナキューブ等の
光学素子を用いても同等の効果を得ることができる。

一方、光分割面４で分割された２つの光束の内透過した
光束は、光学部品３の光束入射面及び光学部品３を成す
他方の台形プリズムの斜面で反射され、光学部品３から
出射して反射鏡７により放射格子６上に所定の位置Ｍ２
に入射する。ここでも透過光束の場合同様、放射格子６
から出射する特定次数、例えば＋ｎ次（Ｉｎｌ＜１ｍ１
）の透過回折光が放射格子６に対して垂直に出射する様
、反射鏡７によりある入射角でＭ２に入射せしめられる
。Ｍ２に入射し回折した透過回折光の内所定次数の回折
光は、前述の反射手段９と同様の反射手段１１により％
波長板１０を介して同一光路を逆行し、放射格子６の略
同−位置Ｍ２へ再入射する。

従って、ここでも放射格子６より再回折された特定次数
の回折光は放射格子６に入射した時とは９０°偏光方位
の異なる直線偏光光として反射鏡７に指向される。そし
て、反射鏡７で反射された特定次数の回折光は再度同一
光路を逆行し、光学部品３に入射して内面反射を繰り返
し光分割面４へ達する。

このとき、透過光束も前述の反射光束と同様に光分割面
４から反射手段１１に至る特定次数の回折光の往復光路
を同一としている。そして反射手段９を介し入射してき
た回折光と重なり合わせた後、局波長板１２を介し円偏
光とし、光分割器１３で２つの光束に分割し、各々の光
束を互いの偏光方位を４５度傾けて配置した偏光板１４
．１６を介し双方の光束に９０度の位相差を付けた直線
偏光として各々の受光手段１５．１７に入射させている
。そして受光手段１５．１７により形成された２光束の
干渉縞の強度を検出している。

さて、本実施例のエンコーダーに於ては、光学部品３の
光分割面４によりレーザ１から出射した光束を所定の強
度比で透過光束と反射光束に分けている。この強度比は
前記の干渉縞強度を検出する際に最も干渉縞の明暗比（
ビジビリティ−）が良くなる様に設定されるものであり
、放射格子６の位置Ｍ１及びＭ２で得られる一ｍ次及び
＋ｎ次（１ｍｌ＃１ｎｌ）の回折光の強度が略一致する
様に構成される。以下、本実施例に於る光分割面４の機
能に関して詳述する。

第２図は本実施例の光分割面の機能説明図であり、４は
第１図の光分割面を示しており、説明を容易にする為通
常の偏光ビームスプリッタ−に置換して図示している。

又、図中の２種類の矢印り、Ａは光束の進行方向りと偏
光方位Ａを示している。

一般に偏光ビームスプリッタ−はその光分割面４で任意
の偏光方位を有する光束のＰ波成分を透過させ、Ｓ波成
分を反射させる働きを持っている。従って、光分割面４
の直交偏波面に対し、図示する如くθの角度を成す偏光
面を持つ光束を入射させると、光分割面４により分割さ
れるＰ波成分とＳ波成分との振幅比はｓｉｎθ：ＣＯ８
θとなる。従って、光分割面４で分割されるＰ波及びＳ
波の光束の強度比は５ｉｎ２θ：ｃｏｓ２　ｆ）となる
為、この比を回折格子で回折され最終的に重ね合わせる
べき２つの異なる次数の回折光の強度比が等しくなる様
に予め設定しておけば、等しい振幅を有する光束同志で
干渉縞を形成出来、高い明暗比が得られる。

本実施例ではレーザ１として半導体レーザを用い、半導
体レーザの構造で決まる偏波面を光学部品３の光分割面
４に対し所定に角度θとなる様にレーザ１をコリメータ
レンズ２の光軸のまわりに傾けて（回転させ）設置して
いる。この様な構成にすることにより他の光学素子を用
いることなく、光分割面４に於て透過光束と反射光束と
の光量比を所望の値に出来る。従って、第１図の装置に
於て、放射格子６の位置Ｍ１及びＭ２で回折される一ｍ
次及び＋ｎ次の回折光の強度が、ａ：ｂであるとすれば
、Ｍｌ及びＭ２により再回折された後の夫々の回折光の
強度はａ２：ｂ２という比になる為、光分割面４で分割
されるＭｌ及びＭ２に夫々指向される反射光束と透過光
束との強度比がｂ２：ａ２となる様にレーザ１から出射
する光束の偏波面を決めておけば、Ｍｌ及びＭ２から出
射して再度光分割面４へ達し、ここで重ね合わされる２
光束、即ち−ｍ次及び＋ｎ次の回折光の強度比は等しく
、受光手段１５．１７で検出される干渉縞の明暗比も最
大となる。

本実施例において被測定回転物体が放射格子６の１ピツ
チ分だけ回転するとｍ次の回折光の位相は２ｎπだけ変
化する。同様に放射格子６により再回折されたｎ次の回
折光の位相は２ｎπだけ変化する。これにより全体とし
て受光手段からは（２ｍ−２ｎ）個の正弦波形が得られ
る。本実施例ではこのときの正弦波形を検出することに
より回転量を測定している。

例えば回折格子のピッチが３．２７ｈｍ、Ｍｌ及びＭ２
かち得られる回折光として１次及び−３次を利用したと
すれば回転物体がピッチの３．２７ｔｍ分だけ回転した
とき受光素子からは８個の正弦波形が得られる。即ち正
弦波形１個当りの分解能として回折格子の１ピツチの１
／８の３、２　／　８　＝　０．４　ｇ　ｍが得られる
。

従って、従来の方式と同一出力の光源で、略同−の構成
を用いるにも係わらず、受光手段で高い明暗比を持つ干
渉縞を検出して高分解能の測定を行なうことが可能とな
る。例えば従来の如く±１次の同次数の回折光同志を干
渉させる場合に比べて上記実施例では２倍の分解能が得
られることになる。

本実施例では光分割器１３により光束を２分割し各々の
光束間に９０度の位相差をつけることにより回転物体の
回転方向も判別出来るようにしている。

尚、回転量のみを測定するのであれば光分割器１３、偏
光板１４．１６及び一方の受光手段は不要である。又、
正弦波形周波数を計測することにより容易に回転物体の
回転速度を求めることもできる。

本実施例では回転中心に対して略点対称の２つの位置Ｍ
ｌ　、Ｍ２からの回折光を利用することにより回転物体
の回転中心と放射格子の中心Ｏとの偏心による測定誤差
を軒減させている。

尚、本実施例に於る構成は略点対称な２点からの回折光
を利用しているわけであるが、略点対称に限らず複数の
位置からの回折光を用いることにより略同等の効果を得
ることが出来る。

例えば、互いに１２０°の角度を成す３点からの回折光
を利用したり、近接しない任意の２点からの回折光を利
用するのも有効である。

更に一方の光束の回転軸中心寄りの光束要素と略点対称
な位置に入射させた他方の光束の回転軸中心寄りの光束
要素とを互いに重なり合わせ、同様に回転中心の外側寄
りの光束要素同志を重ね合わせることにより、ロータリ
ーエンコーダー特有の放射格子の外側と内側のピッチの
違いより生じる波面収差の影響を除去している。

本実施例では光分割面４から反射手段９゜１１に至る特
定次数の回折光の往復の光路を同一とすることにより、
光分割面４における２つの回折光束の重なり具合を容易
にし、装置全体の組立精度を向上させている。

尚、本実施例において属波長板８を光学部品３と放射格
子６との間に配置しても良い。他の局波長板１０も同様
である。又、本実施例は偏光ビームスプリッタ−と内面
反射型のプリズムの両機能を有する光学部品３を用いて
おり、この種の特定形状の偏光プリズムを用いることに
より光学部品数を少なくし、かつ各光学部品の組立精度
の向上を図ると共に装置全体の小型化を図っている。

又、本実施例に於ては、異なる次数の回折光を放射格子
６上の位置Ｍｌ、Ｍ２から得る為に、反射鏡５及び７の
位置と反射面の光束に対する傾きを工夫している。ここ
ではＭｌ及びＭ２に於て相異なる次数の回折光が双方共
放射格子から垂直に出射する様に構成しているが、反射
鏡５及び７を同じ様なある角度で傾けて光分割面４で分
割された反射光束及び透過光束をＭｌ及びＭ２の放射格
子に対して垂直に入射させ、夫々の位置から出射する異
なる次数の回折光の出射方向に反射手段を適宜配置して
も良い。

この種の装置構成や互いに干渉縞を形成すべき回折光の
次数の選択は多種多様であり、本発明の思想に基づき種
々のエンコーダが構成出来ることは言うまでもない。例
えば、本実施例では光学部材３を用いて部品数を減らし
ているが、複数のミラーやプリズム、光分割器等を組合
せて構成しても良く、装置の仕様やコスト、製作の容易
性等々を考慮して本エンコーダの構成を決めれば良いの
である。当然、光源もレーザに限られる事はなく、波長
幅があっても可干渉性を有する光を出射するものであれ
ば良い。

又、第１図の構成では、所定の光分割面に対して、レー
ザから出射する光束の偏光方位が所望の角度θとなる様
に半導体レーザの配置を工夫しているが、これとは逆に
光分割面の直交偏波面を即知の光束の偏光方位を鑑みて
決め、光学部品を構成しても良い。更に、レーザと光分
割面との間に光路中に偏光面回転素子又は偏光子等を配
し、レーザから出射する光束　の偏光方位を光分割面の
直交偏波面に対して所望の角度となる様に制御すること
も出来る。更に、光束の偏光方位を利用するだけでなく
、光分割面に所定の膜構成の反射膜を施し、任意の強度
比で光分割が出来る様に構成しても良い。

上記実施例では、回転物体に取付けた放射格子上の異な
る位置で再回折し出射した異次数回指光同志を重ね合わ
せて干渉縞を得ているが、夫々の放射格子上の位置で再
回折させることなく、即ち反射手段を用いて再度放射格
子に入射させずに夫々の回折光を直接重ね合わせて干渉
縞を得る方式であっても本発明は適用可能である。この
時、光分割面で分割される反射光束と透過光束の光量比
は、夫々の光束により生じせしめられ、重ね合わされる
ｍ次及びｎ次の回折光の強度をａ：ｂとすれば、ｂ：ａ
となる様に構成される。

更に本発明が適用可能なエンコーダーを列挙すれば、例
えば、回折格子上のある点に２光束を入射せしめ、回折
格子により回折された夫々の光束の回折光を互いに重ね
合わせて干渉縞を得る方式や、この方式で上記実施例同
様に回折格子から出射した回折光を反射手段により再度
回折格子に入射せしめ再回折した光束同志を重ね合わせ
て干渉縞を得る方式等が有り、言うまでもなくロータリ
ーエンコーター、リニアエンコーダーに限定されること
はない。又、本発明が、放射格子の偏心を考慮し一般に
複数位置からの回折光を利用して干渉縞を得るロータリ
ーエンコーダーに対して特に有効であることも上記実施
例から明らかである。

尚、本発明において使用する回折格子は、透光部と遮光
部から成る所謂振幅型の回折格子、互いに異なる屈折率
を有する部分から成る位相型の回折格子である。特に位
相型の回折格子は、例えば、透明円盤の円周上に凹凸の
レリーフパターンを形成することにより作成出来、エン
ボス、スタンパ等のプロセスにより量産が可能である。

又、以上の説明では主として透過回折光を利用するエン
コーダーを示してるが、本発明に於ては反射回折光を利
用する方式や反射回折光と透過回折光の双方を利用する
方式のエンコーダーが適用出来る。特に反射回折光を利
用する方式は回折格子又は移動もしくは回転物体の一方
の側に全て光学素子を配置することが出来、エンコーダ
の用途によっては装置構成上のメリットが生じる。

〈発明の効果ン 以上、本発明に係るエンコーダは、異なる次数の回折光
同志を重ね合わせて高い明暗比の干渉縞を得、且つ高分
解能の測定を行なう事が出来る装置である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るエンコーダーの一実施例を示す図
。 第２図は第１図に於る光分割面の機能説明図。 第３図はエンコーダーの従来例を示す模式図。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）可干渉光束を得る為の光源手段と前記可干渉光束
   を異なる振幅比で分割する光分割手段と前記光分割手段
   で分割された複数の光束を移動可能な回折格子に向ける
   第１光学手段と前記回折格子から出射する異なる次数の
   回折光を重ね合わせる第２光学手段と前記第２光学手段
   で得られる重ね合わされた光束を受光する受光手段とを
   有し、前記受光手段からの信号より前記回折格子の移動
   状態を検出するエンコーダー