JPS6244332Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は、光の干渉を利用した光学式スケール
読取装置に関し、特にスケールとしてエシエレツ
ト回折格子を用いて回折光の一部を除去する絞り
を不要とするとともに回折光強度を上げＳ／Ｎ比
の向上を図つた光学式スケール読取装置に関す
る。

従来より、光の干渉を利用した光学式スケール
読取装置が知られている。この種の装置は、スケ
ールとしてガラス基板上に反射膜を格子状に蒸着
したものを用いている。このようなスケールで
は、反射回折光のうち０次±１次が信号として戻
つてしまうので０次あるいは±１次のどちらかを
除去する絞りが必要であり、また、反射面以外の
透過面に入射した光はそのまま通過してしまうの
で光量の損失となる。従つて、干渉縞を電気信号
に変換した際のＳ／Ｎ比が悪くなるという欠点を
有している。

本考案は、このような点に鑑みてなされたもの
で、スケールとして回折光の一部を自由に除去で
き、しかも透過面の無いエシエレツト回折格子を
用いることにより回折光の一部を除去する絞りを
不要とし光量の低下を防いでＳ／Ｎ比の向上を図
つた光学式スケール読取装置を実現したものであ
る。以下、図面を参照して本考案を詳細に説明す
る。

第１図は、本考案の一実施例を示す構成図であ
る。同図において、１は可干渉性光源である。該
光源としては例えばレーザダイオード等が用いら
れる。L₁は、該光源の出力を受ける第１のレン
ズである。Ｍは、該レンズの通過光を受けるハー
フミラーである。L₂は、該ハーフミラーの透過
光を受ける第２のレンズである。２は、該第２の
レンズの透過光を受けるエシエレツト回折格子を
用いたスケールである。３は、該エシエレツト回
折格子を反射した回折光によつて生じる干渉縞を
受ける衝立である。Ｓは、衝立３上に生じた干渉
縞である。d₁乃至d₂は、これら干渉縞のうち干渉
縞S₁とS₂間に在つてそれぞれ90゜ずつ位相をずら
して配置された受光素子である。該受光素子とし
ては例えばフオトダイオードが用いられる。U₁
乃至U₄は、それぞれの受光素子d₁〜d₄の電気信号
出力を受けるバツフア増幅器である。４は、これ
ら各相のバツフア増幅器の出力を受けて前記スケ
ール２の移動距離に対応した出力P₁及びスケール
２の移動方向を示す信号P₂を出力する制御器であ
る。OUT１，OUT２はそれぞれP₁及びP₂の出力
端子である。このように構成された装置の動作を
以下に説明する。

可干渉性光源１から発射された光は、第１のレ
ンズL₁に入射し該レンズで集光される。レンズ
L₁で集光された光は、ハーフミラーＭに入射す
る。該ハーフミラーでは一部が反射し残りは通過
する。この通過した光は、続く第２のレンズL₂
によつて集光される。集光された光は、続くスケ
ール２に収束球面波となつて入射し入射した光は
反射する。ここで、スケール２は前述したように
エシエレツト回折格子で構成されている。エシエ
レツト回折格子の動作は以下のとおりである。即
ち、第２図に示すようなエシエレツト回折格子に
入射光Ａが入射すると、反射光は、０次光Ａ，±
１次回折光Ｂ，−１次回折光Ｃに分離する。この
とき±１次回折光の法線に対する反射角θは Sinθ＝ｍλ／ｄ を満足する方向になる。ここで、ｄはスケールピ
ツチ、λは波長、ｍは整数である。

ここで、エシエレツト回折格子面と水平面間の
角度（以下ブレーズ角という）をＸとする。ま
た、一つのブレーズされた面のブレーズ方向の長
さをｗとする。ブレーズ角Ｘとｗ／ｄの大きさを適当 な値に選んでやると＋１次回折光Ｂ或いは−１次
回折光Ｃのうちの何れか一方の光量を減衰させる
ことができる。第３図は回折光の減衰特性を示す
図である。図は、−１次回折光Ｃが減衰した状態
を示している。図において、横軸はsinθ、縦軸
は光の強度Ｉを示している。第３図に示すような
特性をもたせる場合、０次光ａと＋１次回折光ｂ
とが反射して衝立３に干渉縞Ｓを生じる。第３図
では、−１次回折光が減衰した場合を例にとつた
が、ブレーズ角Ｘを変化させることにより＋１次
回折光の方を減少させることができる。このよう
に、ブレーズ角Ｘとｗ／ｄの値を適当に選ぶことによ り−１次或いは±１次のうちの何れか一方の回折
光を除去できるので、従来装置のように特定のモ
ードの回折光を阻止するためのストツパは不要と
なる。

なお、エシエレツト回折格子の製造法には以下
に示すような方法がある。第１には、シリコン基
板に異方性エツチング法により鋸歯状の表面をつ
くり、金或いはアルミニウム等を蒸着して作る方
法である。第２には、イオンエツチング法で鋸歯
状表面を形成し、金或いはアルミニウム等を蒸着
して作る方法である。エシエレツト回折格子をス
ケールとして用いると、−１次回折光あるいは＋
１次回折光を除去する絞りが不要となり、しかも
第２図ａに示すような従来のスケールのように透
過する部分が無いので光量の減少は少い。従つ
て、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。

上述の操作により、互いに隣り合つた干渉縞S₁
及びS₂に配置された受光素子d₁〜d₄は光の明暗に
応じた電気信号を発生させる。今、光源１から光
が照射されている状態で、スケール２を或る方向
に移動させたとすると、受光素子d₁〜d₄に入力す
る光はスケール２の格子ピツチと同じピツチで周
期的に明暗を生じる。これら受光素子は、前述し
たようにそれぞれ90゜ずつ位相がずれた位置に取
りつけられているので、これら受光素子の出力は
それぞれ90゜ずつ位相のずれた正弦波となる。こ
れら出力は、それぞれ続くバツフア増幅器U₁〜
U₄に入力する。バツフア増幅器U₁〜U₄は、入力
信号を適当な信号レベルに増幅するとともにイン
ピーダンス変換を行う。これらバツフア増幅器の
それぞれの出力をＰ_A，Ｐ_B，Ｐ_C，Ｐ_Dとする。

制御器４は、これらＰ_A〜Ｐ_D出力を受けてその
１の出力端子OUT１に（Ｐ_A−Ｐ_C）に対応した
パルスを出力する。該出力端子OUT１から出力
されるパルスの数は、スケール２の移動距離に対
応したものとなる。また、制御器４の他の出力端
子OUT２からは、（Ｐ_A−Ｐ_C）と（Ｐ_B−Ｐ_D）の
位相差を利用してスケール２の移動方向を示す信
号が出力される。該信号の出力形式としては、例
えばスケールが右方向に移動したときを０に、左
方向に移動したときを１にそれぞれ対応させるこ
とが考えられる。或いはこの逆でもよい。出力端
子OUT１及びOUT２からの両出力を利用するこ
とにより、本装置を光学式スケール読取装置とし
て利用することができる。この様な構成の装置に
よれば、受光素子の配置によつて出力信号の位相
をずらせており、しかもスケール上の目盛格子の
ピツチに対して干渉縞の間隔がレンズにより拡大
されるので、正確に90゜異なる位相のずれを実現
するのが容易である。また衝立のスリツトの製作
も容易である。

また、上記の拡大率が大きいので、レンズ・フ
オトダイオード間距離が比較的小さくても大きな
干渉縞ピツチが得られ、装置全体の小型化が容易
である。

またレンズL₂1つで照射と干渉を行なわせるこ
とができ、さらにハーフミラーを用いることによ
り、部品の点数を少なくし、構成を簡単にするこ
とができる。したがつて、小型でシンプルな装置
が実現できる。構成が簡単なので調整も容易であ
る。

また干渉縞の位置は、レンズL₂の焦点距離，
レンズ・フオトダイオード間距離，レンズL₂と
光源の結像点の距離の間で所定の関係を満たせ
ば、レンズL₂とスケール２間の距離が変化して
も動かない。したがつてこの距離の許容差を大き
くとることができるので装置の寸法精度にさほど
注意を払う必要がなくなる。この結果高速動作も
可能となる。またストツパで遮光する必要が無い
ので、作動距離（レンズL₂とスケール２間の距
離）の変動に対して強くなる。従来のストツパを
使用する構成では、ストツパの位置を集光点に設
定した後に作動距離が変化すると、集光点の位置
がずれてストツパから光が漏れるおそれがある。
本願考案によれば、阻止すべき回折光はエシエレ
ツト回折格子においてほとんど消滅してしまうの
で、この問題が生じない。

またストツパを使用する場合には、同一の光学
系において作動距離を大きくするためにレンズ
L₂をスケール２から離しても、集光点の移動に
よりストツパの設定位置はスケール２に近付いて
しまうが、本願考案のようにエシエレツト回折格
子を用いる場合にはこの問題が生じない。

またストツパを使用する場合にはスケールの傾
きによつてストツパの脇から漏れる光を考慮する
必要があるが、本願考案ではその必要がなく、ス
ケールの傾きにも強くなる。

また干渉縞は冗長性があるので、スケール上に
多少のごみ、ほこりあるいは傷があつても測定誤
差とならない。なお、光学系としては第１図に示
すものに限られる必要はない。光源１の出力光を
受けてスケール２に収束光を供給することがで
き、かつスケール２の反射回折光を衝立３まで導
くことができるものであれば如何なる構成のもの
であつてもよい。「該光源の出力に関連する光」
とはこの趣旨である。また、受光素子の数につい
ても４個用いる必要はなく、位相の異なる電気信
号を発生させることができる２つ以上の受光素子
であればよい。受光素子が２個の場合でも、スケ
ールの移動距離を示す信号及び移動方向を示す２
つのデータを得ることができる。

以上、詳細に説明したように、本考案によれば
スケールとして回折光の一部を除去することがで
き、しかも透過面の無いエシエレツト回折格子を
用いることにより回折光の一部を除去する絞りを
不要とするとともに光量の低下を防いでＳ／Ｎ比
の向上を図つた光学式スケール読取装置を実現す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本考案の一実施例を示す構成図であ
る。第２図はスケールの構成例を示す図である。
第３図は、エシエレツト回折格子の回折特性を示
す図である。 １……可干渉性光源、２……スケール、３……
衝立、４……制御器、L₁，L₂……レンズ、Ｍ…
…ハーフミラー、Ｓ……干渉縞、d₁〜d₄……受光
素子。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 可干渉性光源と、該光源の出力に関連する光を
   受けるハーフミラーと、該ハーフミラーの透過光
   を受けるレンズと、該レンズの通過光である収束
   球面波を受けるエシエレツト回折格子を用いたス
   ケールと、該スケールの反射光が前記ハーフミラ
   ーで反射して生じる干渉縞に対してそれぞれ90゜
   ずつ位相をずらして配された少くとも２個以上の
   受光素子と、該受光素子のそれぞれの出力を受け
   て前記スケールの移動距離に対応したパルス及び
   その移動方向を示す信号を出力する制御器とを備
   え、エシエレツト回折格子において特定モードの
   回折光を除去するように構成されてなる光学式ス
   ケール読取装置。