JP2005283357A - 光電式エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】 移動スケールが上下方向に傾いても、原点位置のずれを防止することができる光電式エンコーダの提供。
【解決手段】 光束１０がインデックス３に入射すると、スリット３２ａ，３２ｂにより原点信号用の光束１０ｃ、１０ｄが生成される。光束１０ｃ、１０ｄは、移動スケール４に形成された回折格子４２ａ，４２ｂにそれぞれ入射する。各光束１０ｃ、１０ｄが対応する回折格子４２ａ，４２ｂの格子パターン部４２０に入射すると、各光束１０ｃ、１０ｄは格子パターン部４２０により±１次回折されて原点信号用受光素子７ａ〜７ｄに入射する。一方、各光束１０ｃ、１０ｄがスリット部４２１に入射すると、光束１０ｃ、１０ｄはスリット部４２１を透過する。その結果、移動スケール４の移動に伴って生じる原点信号用受光素子７ａ〜７ｄの受光強度変化から原点位置が検出される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光学的に主信号および原点信号を生成し、これらの光電変換信号を変位情報および原点情報として用いる光電式エンコーダに関する。

移動ステージ上に格子ピッチが不連続に変化する回折格子（例えば、格子ピッチの異なる２つの回折格子を接続したもの）を形成し、その回折格子にレーザ光を照射して回折された回折光を光検出器で検出することにより、移動ステージの基準位置（原点位置）を検出する方法が知られている（例えば、非特許文献１参照）。

明渡純，外２名，「フラウンホーファ回折を用いた基準位置検出法」，１９９１年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集，ｐ．１１３９−１１４０

しかしながら、上述した従来の方法で反射型の光学系を構成した場合、移動ステージが上下方向に傾いた場合、原点位置がずれてしまうという問題があった。

請求項１の発明による光電式エンコーダは、光源と、可動物体に固定された移動スケールと、光源の光から２つの主信号光束を生成する主信号光束生成部と、移動スケールに形成され、主信号光束生成部からの２つの主信号光束をそれぞれ回折してほぼ同一方向に出射する主信号用回折部と、主信号用回折部から出射される２つの主信号光束の干渉光を受光して干渉光強度に応じた信号を出力する主信号検出器と、１以上のスリットを所定のパターンで配置したスリットパターンを有し、光源の光の一部を透過して原点信号光束を形成する原点信号光束生成部と、移動スケールに形成され、原点信号光束生成部からの原点信号光束を所定方向に回折する第１の原点信号用回折部と、所定方向に配設され、第１の原点信号用回折部で回折された原点信号光束を受光して受光強度に応じた信号を出力する原点信号検出器と、第１の原点信号用回折部に対して移動スケールの移動方向またはその逆方向に隣接するように移動スケールに形成され、スリットパターンと所定の相関を有して原点信号光束生成部からの原点信号光束を所定方向と異なる方向に回折する第２の原点信号用回折部とを備えたことを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載の光電式エンコーダにおいて、所定の相関を、ナイフエッジ光学系を構成する相関としたものである。
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の光電式エンコーダにおいて、主信号光束生成部と原点信号光束生成部とを同一インデックススケールに形成したものである。
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の光電式エンコーダにおいて、原点信号光束生成部，第１の原点信号用回折部，第２の原点信号用回折部および原点信号検出器のセットを複数組備えたものである。
請求項５の発明は、請求項４に記載の光電式エンコーダにおいて、原点信号光束生成部，第１の原点信号用回折部，第２の原点信号用回折部および原点信号検出器のセットを２組備え、第１の原点信号用回折部および第２の原点信号用回折部を移動方向と直交する方向に主信号用回折部を挟むように配置したものである。

本発明によれば、移動スケールが上下方向に傾いても、原点位置のずれを防止することができる。

以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。
−第１の実施の形態−
図１は本発明による光電式エンコーダの第１の実施の形態を示す図であり、エンコーダの主要構成を示したものである。図１に示すエンコーダは、光源１、コリメートレンズ２、インデックス３、移動スケール４、ミラー５ａ，５ｂ、主信号用受光素子６および原点信号用受光素子７ａ〜７ｄを備えている。主信号用受光素子６および原点信号用受光素子７ａ〜７ｄの検出信号は不図示のエンコーダ処理回路に出力され、そこで移動スケール４のｘ方向への変位が算出される。

光源１にはレーザ光源や発光ダイオード（ＬＥＤ）等が用いられる。インデックス３には主信号用の回折格子３１と、回折格子３１を挟むように設けられた原点信号用のスリット３２ａ，３２ｂとがそれぞれ形成されている。例えば、光学ガラス等から成る透明平行平板に一様な格子パターンを有する回折格子３１（例えば位相格子）を形成し、透明平行平板の帯状領域３ａを挟んだ領域３ｂ，３ｃに、金属薄膜等の反射コーティングを施したものである。

移動スケール４には、インデックス３の回折格子３１に対応する主信号用の回折格子４１が形成されている。さらに、回折格子４１のｙ方向両側には、後述する原点信号用の光束１０ｃ，１０ｄが入射する原点信号用の回折格子４２ａ，４２ｂが形成されている。各回折格子４２ａ，４２ｂは、一様な格子パターンが形成された格子パターン部４２０と格子パターン部４２０と態様の異なるスリット格子部４２１とで構成されている。スリット格子部４２１は、インデックス３の各スリット３２ａ，３２ｂに対応したスリット形状に形成されている。

なお、回折格子４２ａのスリット格子部４２１と回折格子４２ｂに形成されたスリット格子部４２１とは、ｘ方向に距離Ｄだけずらして形成されている。本実施の形態では、回折格子３１の格子ピッチと格子パターン部４２０の格子ピッチは同一ピッチに設定されているが、必ずしも同一ピッチでなくても良い。

移動スケール４の回折格子４１および回折格子４２ａ，４２ｂの格子パターン部４２０は反射型の回折格子を構成しており、位相格子を構成する格子パターンが形成された透明基板の表面に金属薄膜等の反射コーティングを施したものである。なお、スリット格子部４２１の基板表面には反射コーティングは施されておらず、光を透過する。移動スケール４は計測対象である可動物体に固定され、可動物体と一体でｘ方向に移動する。

光源１から出射された光はコリメートレンズ２により平行光とされ、インデックス３に照射される。インデックス３の反射コーティングが施された領域３ｂ，３ｃに入射した光束１０は反射コーティングにより反射され、反射コーティングが施されていない帯状領域３ａに入射した光束１０のみがインデックス３を透過することができる。そして、インデックス３に光束１０が照射されると、回折格子３１により主信号用の光束１０ａ，１０ｂが形成され、スリット３２ａ，３２ｂを透過した光束１０ｃ，１０ｄが原点信号用の光束として利用される。

（主信号）
インデックス３の帯状領域３ａの回折格子３１に照射された光束１０は、回折格子３１で±１次回折を受けてミラー５ａ方向に＋１次回折光である光束１０ａが出射され、反対側のミラー５ｂ方向に−１次回折光である光束１０ｂが出射される。光束１０ａ，１０ｂは各々ミラー５ａ，５ｂにより反射され、それぞれ移動スケール４に形成された回折格子４１に入射する。回折格子４１に入射した光束１０ａ，１０ｂは、回折格子４１により±１次回折を受けて反射され、主信号用受光素子６に入射する。このとき、±１次回折された回折光は、移動スケール４の移動状態に応じて位相が各々変化する。そのため、主信号用受光素子６で受光される干渉光の位相情報には移動スケール４の移動情報が含まれている。

（原点信号）
インデックス３に光束１０が照射されると、スリット３２ａ，３２ｂの部分を光束１０ｃ，１０ｄが透過して移動スケール４の回折格子４２ａ，４２ｂに垂直入射する。上述したように、回折格子４２ａ，４２ｂは格子パターン部４２０とスリット格子部４２１とで構成されており、光束１０ｃが格子パターン部４２０に入射すると±１次回折を受けて反射され、回折光は原点信号用受光素子７ａ，７ｂに入射する。このとき、受光面上における回折光の照射幅はインデックス３のスリット３２ａ，３２ｂの幅とほぼ同じ寸法となる。なお、スリット３２ａ，３２ｂの幅は原点信号用受光素子７ａ〜７ｄの受光面よりも小さく設定される。

一方、光束１０ｃがスリット格子部４２１に入射した場合には、光束１０ｃはスリット格子部４２１を透過する。この透過の割合は、インデックス３のスリット３２ａと移動スケール４のスリット格子部４２１とが一致したとき（ｘ位置が同一のとき）に最大となり、原点信号用受光素子７ａ，７ｂの出力信号は逆に最小となる。

光束１０ｃがスリット格子部４２１と格子パターン部４２０との両方に跨って照射される場合には、格子パターン部４２０の光は回折を受けてその回折光が原点信号用受光素子７ａ，７ｂに入射し、スリット格子部４２１の光は移動スケール４を透過する。そのため、このときの原点信号用受光素子７ａ，７ｂの出力信号の大きさは、光束１０ｃの全体が格子パターン部４２０に入射しているときの出力信号と、スリット３２ａとスリット格子部４２１とが一致したときの出力信号との間の値を取る。

光束１０ｄの場合も光束１０ｃの場合と同様に、光束１０ｄが回折格子４２ｂの格子パターン部４２０に入射すると、そのときに生成される回折光が原点信号用受光素子７ｃ，７ｄにより検出される。そして、スリット３２ｂと回折格子４２ｂのスリット格子部４２１とが一致したときに原点信号出力が最小となる。

図２は、原点信号用受光素子７ａ〜７ｄから出力される原点信号の出力パターンを模式的に示したものである。図２において、縦軸は原点信号出力を表し、横軸は移動スケール４のｘプラス方向への移動距離を表している。実線Ａ１が原点信号用受光素子７ａ，７ｂの出力を示しており、破線Ａ２が原点信号用受光素子７ｃ，７ｄの出力を示している。

ｘ１はスリット３２ａとスリット格子部４２１とが一致したときの移動スケール４の移動距離を示しており、ｘ２はスリット３２ｂとスリット格子部４２１とが一致したときの移動距離を示している。図１に示すように、スリット３２ａとスリット３２ｂとはｘ方向に距離Ｄだけずれているので、出力が最小となる位置も距離Ｄだけずれている。実線で示す出力パターンＡ１はｘ１に関して左右対称となっており、破線で示す出力パターンＡ２はｘ２に関して左右対称となっている。

原点信号用受光素子７ｃ〜７ｄの出力信号が入力されるエンコーダ処理回路では、二つの出力のレベル一致点である実線と破線とが交差する位置ｘ０を原点位置として処理することが可能となる。このレベル一致点の信号を原点信号と称する。光束１０ｃ，１０ｄがスリット格子部４２１上を通過したとき、移動距離ｘ１，ｘ２の前後では出力が急激に変化し出力パターンＡ１，Ａ２の傾きが急峻になるので、レベル一致点ｘ０を高精度に検出することができる。

ところで、移動スケール４がｙ軸周りに傾いた場合、原点信号用受光素子７ａ〜７ｄに入射する回折光の照射位置が変化する。従来の光電式エンコーダでは受光素子の前にスリットを配置するなどして原点情報を形成するようにしているので、すなわち、回折光が受光素子に入ってくる位置関係で原点信号を形成しているため、移動スケール４が傾くと回折光の照射位置が変化し原点位置がずれてしまうことがあった。例えば、受光素子で回折光が受光される正常な状態から、移動スケール４がｘ方向に移動することなく傾いたときに回折光が受光素子から外れてしまうおそれがある。そのような場合、移動スケール４は原点位置にあるにも関わらず原点位置になっていないと計測されてしまうことがある。

しかしながら、本実施の形態の光電式エンコーダでは、移動スケール４の移動に伴う光量変化である原点信号用受光素子７ｃ〜７ｄの出力強度で原点位置を検出するようにしている。そのため、原点信号用受光素子７ａ〜７ｄの受光面はインデックス３のスリット３２ａ，３２ｂの幅よりも大きいので、移動スケール４が多少傾いても回折光が受光面から外れることなく出力強度も変化しない。このように、本発明では原点信号用光束１０ｃ，１０ｄの光量に原点情報を載せているため、移動スケール４が上下に（ｙ軸周りに）傾いても、原点位置のずれが生じない。

−第２の実施の形態−
図３は本発明による光電式エンコーダの第２の実施の形態を示す図である。図３は図１と同様にエンコーダの主要構成を示したものであり、インデックス１３および移動スケール１４の構成が図１に示した光電式エンコーダと異なり、その他の構成は同一である。以下では図１の構成と異なる部分を中心に説明する。なお、図３においてもエンコーダ処理回路は図示を省略した。

インデックス１３には主信号用の回折格子１３１と、回折格子を挟むように設けられた原点信号用のランダムパターンスリット１３２ａ，１３２ｂがそれぞれ形成されている。ランダムパターンスリット１３２ａ，１３２ｂは、反射パターンと透過パターンとをランダムに配列したものである。例えば、光学ガラス等から成る透明平行平板に一様な格子パターンを有する回折格子１３１（例えば位相格子）を形成し、透明平行平板の帯状領域１３ａを挟んだ領域１３ｂ，１３ｃに、金属薄膜等の反射コーティングを施したものである。第２の実施の形態の場合も、ランダムパターンスリット１３２ａ，１３２ｂの幅は原点信号用受光素子７ａ〜７ｄの受光面よりも小さく設定されている。

移動スケール１４には、インデックス１３の回折格子１３１に対応する主信号用の回折格子１４１が形成されている。さらに、回折格子１４１のｙ方向両側には、後述する原点信号用の光束１０ｃ，１０ｄが入射する原点信号用の回折格子１４２ａ，１４２ｂが形成されている。各回折格子１４２ａ，１４２ｂは、一様な格子パターンが形成された反射型回折格子を構成する格子パターン部１４３と、反射パターンと透過パターンとをランダムに配列したランダムパターン部１４４と、透明基板が露出している透明部１４５とで構成されている。

回折格子１４２ａのランダムパターン部１４４のパターン配列は、ランダムパターンスリット１３２ａのパターン配列と相関があるように同一パターン配列で形成されている。ランダムパターン部１４４とランダムパターンスリット１３２ａとのｘ位置が一致すると、相互の透過パターン同士および反射パターン同士が一致する。すなわち、ランダムパターン部１４４は、ランダムパターンスリット１３２ａの透過パターンにより形成される各スリットに対してナイフエッジとして機能するように配設されている。回折格子１４２ａのランダムパターン部１４４とランダムパターンスリット１３２ａとの間にも同様の相関がある。

なお、回折格子１４２ａではｘ軸プラス方向に沿って透明部１４５，ランダムパターン部１４４，格子パターン部１４３の順に設けられているが、回折格子１４２ｂでは逆に格子パターン部１４３，ランダムパターン部１４４，透明部１４５の順に設けられている。

光源１から出射された光はコリメートレンズ２により平行光とされ、インデックス１３に照射される。インデックス１３の場合も、反射コーティングが施されていない帯状領域１３ａに入射した光束１０のみがインデックス１３を透過することができる。そして、回折格子１３１により主信号用の光束１０ａ，１０ｂが形成され、ランダムパターンスリット１３２ａ，１３２ｂを透過した光束１０ｃ，１０ｄが原点信号用の光束として利用される。

（主信号）
インデックス１３から出射される光束１０ａ，１０ｂについては、第１の実施の形態と同様の過程をたどって回折格子１４１に入射し、回折格子４１により±１次回折を受けて反射された回折光が主信号用受光素子６に入射する。

（原点信号）
ランダムパターンスリット１３２ａ，１３２ｂを透過した光束１０ｃ，１０ｄは、移動スケール１４の回折格子１４２ａ，１４２ｂに垂直入射する。光束１０ｃが回折格子１４２ａの格子パターン部１４３に入射すると±１次回折を受けて反射され、回折光は原点信号用受光素子７ａ，７ｂに入射する。

光束１０ｃが回折格子１４２ａの透明部１４５に入射した場合には、光束１０ｃは移動スケール１４を透過して原点信号用受光素子７ａ，７ｂには入射しない。光束１０ｃがランダムパターン部１４４に入射した場合、ランダムパターンスリット１３２ａの位置とランダムパターン部１４４の位置とが完全に一致したときには、光束１０ｃは移動スケール１４を透過して原点信号用受光素子７ａ，７ｂには入射しない。

そのため、移動スケール１４のｘ軸正方向への移動に伴って、図４の実線で示すようにランダムパターンのナイフエッジ特性を有する原点信号出力パターンＢ１が得られる。図４の範囲Ｃで示す部分の信号出力が、光束１０ｃがランダムパターン部１４４を通過したときの出力信号に対応しており、ランダムパターンスリット１３２ａの位置とランダムパターン部１４４の位置とが完全に一致したときに出力が急激に低下する。一方、光束１０ｄの場合も同様であるが、回折格子１４２ｂは格子パターン部１４３，ランダムパターン部１４４，透明部１４５の配列が回折格子１４２ａの逆になっている。

すなわち、回折格子１４２ａと回折格子１４２ｂとの間では、態様の異なる格子部である格子パターン部１４３およびランダムパターン部１４４が移動スケール１４の移動方向に対して反転されているので、実線の出力パターンＢ１を左右反転した破線で示すような原点信号出力パターンＢ２が得られる。その結果、原点信号出力パターンＢ１と原点信号出力パターンＢ２のレベルが一致する位置ｘ０を原点位置として処理することができる。レベル一致点は、信号が急激に小さくなる領域にある。

本実施の形態におけるインデックス１３では、図５（ａ）に示すように同一基板上に主信号用の回折格子１３１と原点信号用のランダムパターンスリット１３２ａ，１３２ｂとを形成した。しかし、図５（ｂ）に示すように別々の基板上に形成しても良い。図５（ｂ）に示す例では、回折格子１３１が形成された基板２００と、ランダムパターンスリット１３２ａ，１３２ｂが形成された基板２０１とを近接して（例えば、接するように）上下に配置する。

基板２０１の領域２０１ｂ、２０１ｃには反射コーティングが施され、帯状領域２０１ａの中央部には反射コーティングは施されていない。この場合、基板２００と基板２０１とでインデックス光学系を構成する。基板２００の回折格子から出射された０次光がランダムパターンスリット１３２ａ，１３２ｂに入射し、その透過光が原点信号用の光束１０ｃ、１０ｄとなる。

第２の実施の形態においても、移動スケール１４の移動に伴う光量変化である原点信号用受光素子７ｃ〜７ｄの出力強度で原点位置を検出するようにしているので、移動スケール１４が上下に（ｙ軸周りに）傾いても、原点位置のずれが生じない。

上述した実施の形態では、インデックス３，１３の回折格子および移動スケール４，１４の回折格子に位相格子を用いたが、明暗格子を用いても良い。また、スリット部４２１やランダムパターン部１４４に代えて遮蔽物体を配置しても良い。上述した実施の形態では、原点信号の強度をあげるために各光束１０ｃ、１０ｄに対して２個の受光素子を用いているが、１個であってもかまわない。

上述した第１の実施の形態では回折格子４１を挟むように回折格子４２ａ，４２ｂを配置し、第２の実施の形態では回折格子１４１を挟むように回折格子１４２ａ，１４２ｂを配置しているが、このような構成とすることにより、移動スケール４，１４がｚ軸周りに傾いたときのアッベ誤差の発生を防止することができる。そのため、上述した実施の形態では、スリットとスリット部との組み合わせ、または、ランダムパターンスリットとランダムパターン部との組み合わせを２組用いているが、３組以上用いても良いし、アッベ誤差が問題とならないならば１組でも良い。

また、上述した第１の実施の形態では、移動スケール４上の２つスリット部４２１をスケール移動方向にずらして配置したが、ずらさなくてもかまわない。

以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、回折格子３１，１３１は主信号光束生成部を、回折格子４１，１４１は主信号用回折部を、主信号用受光素子６は主信号検出器を、スリット３２ａ，３２ｂおよびランダムパターンスリット１３２ａ，１３２ｂは原点信号光束生成部を、格子パターン部１４３，４２０は第１の原点信号用回折部を、スリット格子部４２１およびランダムパターン部１４４は第２の原点信号用回折部を、原点信号用受光素子７ａ〜７ｄは原点信号検出器をそれぞれ構成する。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

本発明による光電式エンコーダの第１の実施の形態を示す図であり、エンコーダの主要構成を示したものである。 原点信号用受光素子７ａ〜７ｄから出力される原点信号の出力パターンを模式的に示したものである。 本発明による光電式エンコーダの第２の実施の形態を示す図である。 第２の実施の形態における原点信号出力パターンを模式的に示したものである。 インデックス１３の変形例を示す図であり、（ａ）はインデックス１３の斜視図、（ｂ）は変形例である基板２００，２０１を示す斜視図である。

符号の説明

１ 光源
２ コリメートレンズ
３，１３ インデックス３
４，１４ 移動スケール
５ａ，５ｂ ミラー
６ 主信号用受光素子
７ａ〜７ｄ 原点信号用受光素子
１０，１０ａ〜１０ｄ 光束
３１，４１，４２ａ，４２ｂ，１３１，１４１，１４２ａ，１４２ｂ 回折格子
３２ａ，３２ｂ スリット
１３２ａ，１３２ｂ ランダムパターンスリット
１４３，４２０ 格子パターン部
１４４ ランダムパターン部
１４５ 透明部
２００，２０１ 基板
４２１ スリット格子部

Claims (5)

1. 光源と、
   可動物体に固定された移動スケールと、
   前記光源の光から２つの主信号光束を生成する主信号光束生成部と、
   前記移動スケールに形成され、前記主信号光束生成部からの前記２つの主信号光束をそれぞれ回折してほぼ同一方向に出射する主信号用回折部と、
   前記主信号用回折部から出射される前記２つの主信号光束の干渉光を受光して干渉光強度に応じた信号を出力する主信号検出器と、
   １以上のスリットを所定のパターンで配置したスリットパターンを有し、前記光源の光の一部を透過して原点信号光束を形成する原点信号光束生成部と、
   前記移動スケールに形成され、前記原点信号光束生成部からの前記原点信号光束を所定方向に回折する第１の原点信号用回折部と、
   前記所定方向に配設され、前記第１の原点信号用回折部で回折された原点信号光束を受光して受光強度に応じた信号を出力する原点信号検出器と、
   前記第１の原点信号用回折部に対して前記移動スケールの移動方向またはその逆方向に隣接するように前記移動スケールに形成され、前記スリットパターンと所定の相関を有して前記原点信号光束生成部からの前記原点信号光束を前記所定方向と異なる方向に回折する第２の原点信号用回折部とを備えたことを特徴とする光電式エンコーダ。
2. 請求項１に記載の光電式エンコーダにおいて、
   前記所定の相関を、ナイフエッジ光学系を構成する相関としたことを特徴とする光電式エンコーダ。
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、
   前記主信号光束生成部と前記原点信号光束生成部とを同一インデックススケールに形成したことを特徴とする光電式エンコーダ。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の光電式エンコーダにおいて、
   前記原点信号光束生成部，前記第１の原点信号用回折部，前記第２の原点信号用回折部および前記原点信号検出器のセットを複数組備えたことを特徴とする光電式エンコーダ。
5. 請求項４に記載の光電式エンコーダにおいて、
   前記原点信号光束生成部，前記第１の原点信号用回折部，前記第２の原点信号用回折部および前記原点信号検出器のセットを２組備え、前記第１の原点信号用回折部および前記第２の原点信号用回折部を前記移動方向と直交する方向に前記主信号用回折部を挟むように配置したことを特徴とする光電式エンコーダ。

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