JPS62200223A - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は移動物体の移動状態な光電的に測定するエンコ
ーダーに関し、特に移動物体に取付けた回折格子に光束
、特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移動物体の移動状態を測定する
際の基準位置信号を効率的に、かつ高鯖度に得るように
した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
したリニアエンコーダーやロータリーエンコーダーが良
く知られている。

充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
の双方のスケールな投光手段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。

又このとき円板３５の一部に基準位置信号を得る為に基
準位置検出用のスリット状のパターン３６と光源３８と
受光手段３７を設けている。

これにより円板３５が１回転する毎に１パルスの信号出
力を得るようにし測定誤差のチェックや絶対量の測定等
を行っている。

このとき受光手段３７によりパターン３６を光束が通過
する瞬時のみ受光し、このときの受光手段３７からの出
力が基準値を越えたときを基準位置とする方法をとりで
いる為、パターン３６が通過する方向によって基準位置
がずれてしまい、更に光束の強度や受光手段の感度変化
により基準位置がずれてしまうという欠点があった。

この他、光源としてＬＥＤ　（発光ダイオード）等のイ
ンコヒーレント光を用い２枚のスリット列を重ね合わせ
て横すらしによる透過光量の変化を受光して、その透過
光量の最大値に対応する回転位置を基準位置とする方法
もある。この方法における分解能はスリット列の最高空
間周波数（最小格子ピッチ幅）で制限され、分解能を上
げる為にはスリット列の格子ピッチ幅を狭める必要があ
る。

しかしながら格子ピッチ幅を狭め、例えば光源の波長近
くまで狭めると回折の影響でスリット列からの透過光が
減少し、更に２枚のスリット列の間隔を高精度に調整し
なくてはならず製作上大変困難となってくる。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は、被検移動物体の移動状態を測定する際に移動
物体に関する基準位置信号を、高精度にしかも効率的に
検出することを可能とした簡易な構成のエンコーダーの
提供を目的とする。

（問題点を解決するための手段） 光束を被検移動物体に連絡した回折格子に入射させ、該
回折格子からの回折光のうち特定次数の回折光を利用し
前記移動物体の移動状態を測定するエンコーダーにおい
て、前記被検移動物体の一部に設けた基準位置検出部に
光束を入射させ、該基準位置検出部からの透過光束若し
くは反射光束を２つの受光面を有する受光手段に導光し
、該受光手段からの出力信号を利用することにより前記
被検移動物体に関する基準信号を得たことことである。

この他、本発明の特徴は実施例において記載されている
。

（実施例） 第１図は本発明をロータリーエンコーダーに適用したと
きの一実施例の光学系の概略図である。

本実施例ではレーザー１より放射された光束をコリメー
ターレンズ２によって平行光束とし偏光ビームスプリッ
タ−３に入射させ、略等光量の反射光束と透過光束の２
つの直線偏光の光束に分割している。このうち反射した
光束はイ波長板４を経て、円偏光とし、２つの反射面を
有するプリズム１６を介した後、被測定回転物体と連結
した円板６上の放射状の回折格子が設けられている放射
格子７の位置Ｍ１に入射させている。そして放射格子７
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
反射手段８により反射させ、同一光路を逆行させ放射格
子７上の略同−位置Ｍ１に再入射させている。そして放
射格子７により再回折された特定次数の回折光を％波長
板４を介して入射したときと９０度偏光方位の異なる直
線偏光とし偏光ビームスプリッタ−３に入射させている
。

本実施例では偏光ビームスプリッタ−３から反射手段８
に至る特定次数の回折光の往復光路を同一としている。

第２図は第１図で示した反射手段の一実施例の説明図で
ある。

同図においては反射鏡４０を集光レンズ４１の略焦点面
上に配置し、集光レンズ４１に平行に入射してきた特定
次数の回折光のみをマスク４２の開口部４３を通過させ
反射鏡４０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マスク４
２により遮光している。反射手段としては、この他第２
図に示す機能と同一のものであれば、例えばキャッツア
イ光学系等どのような構成のものでも良い。このような
光学系を用いれば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、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。

第１図に戻り偏光ビームスプリッタ−３で分割された２
つの光束のうち透過した光束はイ波長板５を介し円偏光
とし、円板６上の放射格子７上の位置Ｍ１と回転軸５０
に対して略点対称の位置Ｍ２に入射させている。そして
放射格子７に入射し回折した透過回折光のうち特定次数
の回折光を前述の反射手段８と同様の反射手段９により
同一光路を逆行させて、放射格子７の略同−位置Ｍ２に
再入射させている。そして放射格子７より再回折された
特定次数の回折光を％波長板５を介し入射したときとは
９０度偏光方位の異なる直線偏光とし偏光ビームスプリ
ッタ−３に入射させている。

このとき、透過光束も前述の反射光束と同様に偏光ビー
ムスプリッタ−３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。

そして反射手段８を介し入射してきた回折光と重なり合
わせた後、％波長板１０を介し円偏光とし、光分割器１
１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１２゜１３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１４．１５に入射させている。そして受光手段１
４．１５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。

一方、本実施例ではレーザー１から直接環いた光束若し
くは別個に設けた不図示の光源からの光束若しくは放射
格子７の位置Ｍ、に人射し、回折した光束のうち反射手
段８に入射する特定次数の回折光、例えばｍ次の回折光
以外の回折光の中から特定次数の回折光、例えば−ｍ次
、ｍ＋１次等の回折光束を反射鏡１８とビームスプリッ
タ−１９を介し、シリンドリカルレンズ２１により円板
６上に設けた基準位置検出部２２に入射させている。

基準位置検出部２２は例えば矩形の反射面から成ってい
る。そして基準位置検出部２２を通過した光量を２つの
受光器２４Ａ　、　２４Ｂを有する受光手段２４により
光電的に受光することにより基準位置信号を得ている。

尚、受光手段２４は一体化した２つの受光面を有する１
つの受光素子より構成しても良い。これにより円板６の
回転状態を測定する際の基準信号、例えば１回転毎に１
つの基準信号を得ている。

このように線状光束を用い、かつ反射面も同様な形状と
することによりゴミやキズ等の影響を軽減させている。

第４図（八）は本実施例における基準位置信号を検出す
る際の一部分の詳細図である。第４図（Ｂ）は基準位置
検出部２２として幅Ｐの反射面が幅Ｐ′の光束の集光領
域にさしかかったときの様子を模式的に示した説明図で
ある。

本実施例ではレーザーからの光束をビームスプリッタ−
１９により一部を反射し、シリンドリカルレンズ２１に
より円板６上の基準位置検出部２２が配置されている近
傍に線状に集光している。円板６の移動に伴い円板６が
ある位置まできたときに基準位置検出部２２の反射面２
２′により反射される。

このとき第４図（Ａ）に示すように反射面２２′が左方
から右方へ移動中なら最初に反射される光束はシリンド
リカルレンズ２１を経て、ビームスプリッタ−１９を経
て一方の受光器２４八に入射する。

更に反射面２２゛が右方に移動すると受光器２４Ｂにも
入射してくる。この結果、受光器２４Ａと受光器２４Ｂ
への入射光量が等しくなる瞬間が生じる。

本実施例では、このときの２つの受光器２４Ａ。

２４Ｂからの出力信号が等しくなる位置な零位置、即ち
基準位置としＺ相信号を発生させている。

第５図（八）〜（Ｅ）は第４図に示す実施例において反
射面２２”と光束の集光領域幅Ｐ°との相対的関係にお
ける２つの受光器２４Ａ　、　２４Ｂに入射する光量の
変化の様子を示す説明図である。同図（Ｂ）より明らか
のようにＰ’　４２Ｐとなるように設定□するのがＺ相
信号を精度良く検出するのに好ましい。同図（Ｅ）のＰ
°≦Ｐでは零位置を精度良く検出するのが困難となって
くる。

第６図は第４図に示す実施例においてシリンドリカルレ
ンズ２１をビームスプリッタ−１９の前方、即ち光源側
に配置した場合の一実施例の説明図であり、この他の構
成は第４図の実施例と同じである。

以上の実施例においてシリンドリカルレンズの代わりに
スリットと球面レンズを用いて円板６上の基準位置検出
部近傍にスリット状の光束を集光させるようにしても良
い。

又、以上の実施例においてレーザーからの光束の基板６
面上への入射方向と２つの受光器２４Ａ。

２４Ｂとの配置方向を入れ替えて構成しても良い。

又、前記実施例では２個の独立した受光素子を用いてい
るが、１個の素子上に２つの受光面を備えた所謂２分割
センサーを用いれば、更に構成が簡便となり、配置も簡
素化される。又、シリンドリカルレンズを介して平行光
束となった反射光を検出しているが、更に正の屈折力の
レンズを配置し収斂光とした後に受光素子へ導けば、小
型の受光素子を用いることが出来、やはり装置の小型化
、簡便化か図れる。

尚、前記実施例では高精度の零点検出を行なう為に、ス
リット状の反射面とスリット状光束を組み合わせたが、
必ずしもこの方式による必要はなく、照明光束としてス
ポット光を用いたり、他の形状の反射面（吸収面）を用
いても良いことは明らかである。

以上の実施例においてレーザーからの光束をシリンドリ
カルレンズ２１により円板６上の基準位置検出部２２近
傍に必ずしも集光させる必要はなく、例えば第７図（八
）に示すように円板６の前方に集光させても良く又、第
７図（ロ）に示すように円板６の下方に集光させ円板６
からの反射光束を集光レンズ７１により受光器２４Ａ　
、　２４Ｂに導光させても本発明の目的を達成すること
ができる。

又、本実施例においては光束の有効利用を図る為にビー
ムスプリッタ−を用いずに第８図（Ａ）に示すようにレ
ーザー８０からの光束をシリンドリカルレンズ２１を介
し、円板６上に斜め上方から入射させ、円板６上からの
反射光束をシリンドリカルレンズ８１により集光し、受
光器２４Ａ　、　２４Ｂに導光させても良い。又、第８
図（Ａ）に示す実施例においてシリンドリカルレンズ８
１を省略し、第８図（Ｂ）に示すような構成で行っても
良い。

以上の実施例では基準位置検出部２２を反射した光束を
用いて基準位置信号を得た場合について示したが、例え
ば第９図に示すように透過光束を利用するようにしても
良い。

即ち下方よりレーザー９０からの光束をシリンドリカル
レンズ２１を介し透明板より構成した円板６に入射させ
、円板６からの透過光束をシリンドリカルレンズ９１に
より受光器２４Ａ　、　２４Ｂに導光させても良い。

以上の実施例において基準位置検出部に入射させる光束
径を円形の代わりに移動板の移動方向を短くした楕円や
矩形等の形状にしても良い。

次に本実施例のエンコーダーとしての動作を説明する。

本実施例において被測定回転物体が放射格子７の１ピツ
チ分だけ回転するとｍ次の回折光の位相は２ｍπだけ変
化する。同様に放射格子７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３．２μｍ、回折光として１
次及び−１次を利用したとすれば回転物体がピッチの３
．２μｍ分だけ回転したとき受光素子からは４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％の”２／４−０．８μｍが得ら
れる。

本実施例では光分割器１１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１１、偏
光板１２．１３及び一方の受光手段は不要である。又、
得られる正弦波形の周波数を計測すれば回転速度を検出
することも可能である。

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
、、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との偏心による測定誤差を軽
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、放射格子
の外側と内側のどツチの違いより生じる波面収差の影響
を除去している。

本実施例では偏光ビームスプリッタ−３から反射手段８
．９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、偏光ビームスプリッタ−３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、測定精度があまり要求されない場合には回転軸に対
して点対称の２点からの光束を利用する代わりに片方の
光束のみを使用するようにしても良い。

尚、以上の各実施例において属波長板４，５は偏光ビー
ムスプリッタ−３と反射手段との間であればどこに配置
しても良い。

又、各実施例において受光手段１４．１５に導光する回
折光を透過回折光の代わりに反射回折光を利用しても良
い。

以上の実施例はロータリーエンコーダーについて説明し
たが、本発明の技術的思想はそのままリニアエンコーダ
ーにも適用することができる。

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、スタンバ等のプロセスにより量産が可能である。

（発明の効果） 本発明によれば移動板上の移動方向に基準位置検出部を
設け、該検出部に光束を入射させ、検出部の一部を透過
若しくは反射した光束を受光することにより高分解能の
基準位置信号を容易に得ることのできる簡易な構成のエ
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図は
第１図の一部分の説明図、第４図（Ａ）。 （Ｂ）は各々第１図の基準位置検出系の一部分の説明図
、第５図は本発明に係る２つの受光器からの出力信号の
説明図、第６図、第７図（Ａ）　、（Ｂ）、第８図（Ａ
）　、（Ｂ）、第９図は本発明に係る基準位置検出系の
他の実施例の一部分の説明図、第３図は従来の光電的ロ
ータリーエンコーダーの説明図である。図中１　、８０
．９０はレーザー、２はコリメーターレンズ、３は偏光
ビームスプリッタ−１４゜５、ｌＯは％波長板、６は移
動板である円板、７は放射格子、８．９．１８．は各々
反射手段、１９はビームスプリッタ−１１２，１３は各
々偏光板、１４゜１５、２４は各々受光手段、２１．８
１．９１はシリンドリカルレンズ、２２は基準位置検出
部、２４八、　２４Ｂは各々受光器、２２′は反射面で
ある。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 光束を被検移動物体に連絡した回折格子に入射させ、該
   回折格子からの回折光のうち特定次数の回折光を利用し
   前記移動物体の移動状態を測定するエンコーダーにおい
   て、前記被検移動物体の一部に設けた基準位置検出部に
   光束を入射させ、該基準位置検出部からの透過光束若し
   くは反射光束を２つの受光面を有する受光手段に導光し
   、該受光手段からの出力信号を利用することにより前記
   被検移動物体に関する基準信号を得たことを特徴とする
   エンコーダー。