JP2016223999A - 反射型エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】安定した動作を得ることが容易で、高品質なアナログ変位出力を行うことができるエンコーダを提供する。
【解決手段】レーザー発振器１及び受光部７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄを設けた基板８とスケール１２との間に、回折格子３ａを平面に設けたコリメートレンズ２を有する干渉光学系１１を挟むことで、高精度な組立及び加工を必要とする部分を最小限に抑えて信号品質を容易に向上し、干渉光学系１１内での干渉によりアナログ変位出力が可能な反射型エンコーダ。
【選択図】図３

Description

本発明は、水平移動するスケールに反射型回折格子を設け、当該回折格子からの回折光によって当該スケールの移動量を測定する反射型エンコーダに関する。

近年、多軸加工装置に代表される精密加工装置には、加工時の位置決め及び送り量を制御するためのエンコーダが搭載されている。この様なエンコーダの中には移動する測定対象に反射型回折格子を設けてスケール又はコードホイールを構成したものがあり、代表的な構造として特許４２８３４９８（以下特許文献１として記載）及び特許４９３２２８４（以下特許文献２として記載）に記載の構造が出願後、登録されている。これら２つの構造について、特許文献１記載のエンコーダは透過型回折格子を反射型回折格子として用いたことをその特徴としており、透過型回折格子と反射型回折格子との間に於ける回折効率の差の解消という効果を付与している。また、特許文献２記載のエンコーダは、レーザー発振器周辺に等距離で設けた回折格子付の変位検出用受光部と傾斜モニタ用受光部とを備え、当該モニタ用受光部の加算値からピッチを、差分値からロールを、それぞれ検出することをその技術的特徴としている。

特許第４２８３４９８号公報 特許第４９３２２８４号公報

上述した効果を有している一方で、上記特許文献１記載のエンコーダはその構造上、メインスケール側の透過型回折格子から１次回折光及び干渉用参照光を取り出す為、受光部−メインスケール間の距離を高精度で維持しなければならず、安定して動作させることが難しい。また、特許文献２に記載のエンコーダは明暗縞のみを受光部へ入力する構造となっている為、アナログ変位出力を行う際、受光部の領域を干渉縞の幅に合わせる必要があり、スケールと受光部とのギャップを高精度に保たなければならない。加えて、当該ギャップの制約上、スケールと受光部との組付について、高精度な位置決め技術が必要になるという課題を有している。

上記課題に対して本願記載の発明では、安定した動作を得ることが容易で、高品質なアナログ変位出力を行うことができるエンコーダの提供を目的としている。

上記目的のために本願に於ける第１の態様記載の発明は、回折格子を設けたスケールと、レーザー発振器及び受光部と、の間に干渉光学系を挟んだ反射型エンコーダに於いて、当該干渉光学系の部品として、背面に回折格子を設けたコリメータレンズを用いた事を特徴としている。より具体的には、前記干渉光学系に於いて、レーザー発振器から出射される出射光を平行光にするコリメータレンズ背面に、回折格子を形成したことをその技術的特徴としている。

また、本願に於ける第２の態様記載の発明は、前記レンズをガラス基材上への追加工によって形成することをその特徴としている。より詳しくは、透過型回折格子を形成する基板裏面に、別部材を用いて前記レンズを形成することを技術的特徴としている。

上述した技術的特徴によって本願記載の発明は、安定した動作を得ることが容易で、高品質なアナログ変位出力を行うことができるエンコーダを提供することを可能にしている。即ち、本願記載の発明はその基本構造として、干渉光学系をレーザー発振器及び受光部を備えた基板と、反射型回折格子を設けたスケールと、の間に干渉光学系を挟んだ構造を用いている。この為、当該干渉光学系内にて反射型回折格子から反射される回折光を干渉させることによって、反射型回折格子の移動量をアナログ変位出力として取得することが可能となる。また、反射型回折格子による回折時に分割される回折光同士に位相差を生じさせることで、前記移動量だけではなく、移動方向をも取得することができる。

この様な基本構造による効果に加えて、本願記載のエンコーダはレーザー発振器からの出射光を平行光にするコリメータレンズ背面に、当該平行光から前記干渉光学系内の干渉に用いる参照光を分割する透過型回折格子を形成した部品を用いている。この為、前記アナログ変位出力の品質を向上し、エンコーダとしての動作を安定させることが可能となっている。即ち、当該レンズを用いることによって前記干渉光学系は、単一の出射光を平行光にした後、同平行光から参照光を分割する構造となる。分割された参照光は、干渉光学系から出射後に反射型回折格子を介して当該干渉光学系へ再入射する再入射光と干渉し、受光部へと照射される為、反射型回折格子を設けたスケールと受光部とのギャップに参照光が影響を受けることが無くなり、安定した動作を付与することができる。また、前記参照光の分割によって、スケールに設けた反射型回折格子を前記再入射光にのみ作用させることが可能となる。

加えて、本願記載のエンコーダでは、固定された干渉光学系内で分割された参照光と、移動するスケールに設けた反射型回折格子からの再入射光と、を当該干渉光学系内で干渉後、受光部へと照射することで、スケール側の光路及び構成を簡略化し、干渉光学系側の組立精度を容易に向上することができる。より具体的には、移動する側に設ける部材を反射型回折格子のみとし、測定に必要な参照光の分割及び干渉を干渉光学系内で行うことにより、加工及び組立に精度が求められる部分を最小限に抑えつつ、エンコーダとしての性能を高め、動作の安定化と出力信号の高品質化という効果を得ることができる。

上記効果に加えて、本願に於ける第２の態様記載の発明を用いることで、前記干渉光学系の量産性を向上すると共に、干渉光学系全体を小型化することが可能となる。これは、前記背面に回折格子を設けたコリメートレンズを、回折格子が形成されたガラス基材へのレンズ形成によって構成した事による。即ち、一般的なガラス基材上へのレンズ形成方法としては、例えばプレス加工等があり、熱間加工によって金型表面の形状を加工対象に転写することで所望の形状を得ている。これに対して、本願記載のエンコーダはその構造上、数ミリ角に小型化された状態での構成及び動作が可能となっており、当該小型化に際して、前記プレス加工等を用いたコリメータレンズの加工は、加工後のガラス基材に起こる熱収縮等によって非常に困難なものとなる。本態様では前記ガラス基材上へのポッティング又は積層加工といったレンズ形成方法を用いることで、量産性の高いコリメートレンズをガラス基材上に形成し、干渉光学系を容易に小型化することができる。尚、当該積層加工は、前記ガラス基材上へ回折格子形成にも用いることが可能となっている。

以上述べたように、本願記載の発明を用いることで、安定した動作を得ることが容易で、高品質なアナログ変位出力を行うことができるエンコーダを提供することができる。

本発明の実施形態に於いて用いる反射型エンコーダの全体斜視図 図１に於いて示した反射型エンコーダの光路を示す説明図 図１に於いて示した反射型エンコーダの基本光路を示す説明図 図１に於いて示した反射型エンコーダの基本原理を示す説明図 図１に於いて示した反射型エンコーダのモニタ信号を示す説明図 図１に於いて示した反射型エンコーダの原点信号を示す説明図

以下に、図１、図２、図３、図４、図５及び図６を用いて、本発明に於ける最良の実施形態を示す。尚、図中の記号及び部品番号について、同じ部品として機能するものには共通の記号又は番号を付与している。

図１に本実施形態に於いて用いる反射型エンコーダの全体斜視図を、図２に当該エンコーダの光路を、図３に同基本光路を、図４に同基本原理を、図５に同モニタ信号を、そして図６に同原点信号を、それぞれ示す。尚、コードホイール１２の支持構造、半導体レーザー１及び受光部７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄの配線については、図中での記載を省略しており、反射型回折格子４は一部のみを記載している。

図１及び図２から解るように、本実施形態記載の反射型エンコーダは、レーザー発振器として機能する半導体レーザー１から出射された単一の出射光を干渉光学系１１及びコードホイール１２を介した後、受光部７ａ、７ｂ、７ｃ及び７ｄへと照射している。この為、単一の光源を用いた複数チャンネルでの信号出力という効果を付与することができた。

即ち、図３及び図４から解るように、本実施形態記載の反射型エンコーダはその基本構造として、前記出射光をガラス基材に設けたコリメートレンズ２によって平行光にした後、当該レンズ背面に設けた透過型回折格子３ａを介し、コードホイール１２に設けた反射型回折格子４へと入射させている。また、透過型回折格子３ａの通過時、出射光は０次光に加えて正負１次の回折光を加えた３本に主として分割され、当該回折光は干渉光学系１１内の反射体６ｃ及び６ｄによって透過型回折格子３ａへと反射し、干渉光学系における参照光ｅ１、ｅ２として用いられる。一方、反射型回折格子４から干渉光学系１１へと再入射する２本の再入射光ｒ１、ｒ２は、干渉光学系１１に設けられた透過型回折格子３ｂ、３ｃを通過し、透過型回折格子３ａにて前記各参照光ｅ１、ｅ２と干渉した後、受光部７ａ、７ｂへと照射される。ここで、２本の参照光の内、片方の再入射光ｒ１は透過型回折格子３ｂへの入射前に、位相シフタ５を通過する。この為、各受光部７ａ及び７ｂの信号から反射型回折格子４を設けたコードホイール１２の変位量が解ると共に、受光部７ａ、７ｂの出力信号を比較することで同回転方向を判断することが可能となった。

また、図４に示す様に、本実施形態で干渉光学系１１を構成するガラス基材９ａ、９ｂ及びスペーサ１０は、半導体レーザー１と受光部７ａ、７ｂ、７ｃ及び７ｄとを設けた基板８へと固定されており、当該ガラス基材９ａ上に形成したコリメートレンズ２の背面には、透過型回折格子３ａが設けられている。この為、前記基本構造で用いる光路に於いて、回転するコードホイール１２に設ける光学部材が反射型回折格子４のみとなり、前記アナログ変位出力に用いる参照光ｅ１、ｅ２の分割及び、当該参照光と再入射光ｒ１、ｒ２との干渉を、前記基板８へと固定された干渉光学系１１内にて安定して行う事が可能となった。また、前記ガラス基材９ａ、９ｂの両面に光学部材を設けると共に、ガラス基材９ａに設けた透過型回折格子３ａのみで前記分割及び干渉とを行うことで、干渉光学系１１内の部品点数を減少し、加工及び組立に精度が求められる部分を最小限に抑えることで前記出力信号の品質を向上することができた。尚、本実施形態に於いて、コリメートレンズ２はポッティングによりガラス基材９ａに形成されているが、エッチング及び積層加工等によって形成しても同様の効果を得ることができる。

上記基本構造による効果に加えて、図５及び図６から解るように、本実施形態記載のエンコーダは干渉光学系１１及びコードホイール１２に反射体６ａ、６ｂをそれぞれ設けることで、当該エンコーダに追加の出力信号を付与している。より具体的には、干渉光学系１１の内部について、図５に示す様に、反射体６ａをガラス基材９ｂに設けることで、回折格子３ａを通過した出射光の一部を受光部７ｃへと照射している。この為、受光部７ｃからの信号をモニタ信号として、半導体レーザー１の動作状況を確認することが可能となった。また、コードホイール１２については図６に示す様に、反射体６ｂを反射型回折格子４に近接して１箇所のみ設けることで、当該箇所に入射した出射光の一部を受光部７ｄへと照射している。この為、受光部７ｄからの信号をＺ相信号とした回転数の測定機能を当該エンコーダに付与することができた。

以上述べたように、本実施形態記載の構造を用いることで、安定した動作を得ることが容易で、高品質なアナログ変位出力を行うことができるエンコーダを提供することができた。

１ 半導体レーザー
２ コリメートレンズ
３ａ、３ｂ、３ｃ 透過型回折格子
４ 反射型回折格子
５ 位相シフタ
６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ 反射体
７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ 受光部
８ 基板
９ａ、９ｂ ガラス基材
１０ スペーサ
１１ 干渉光学系
１２ コードホイール
ｅ１、ｅ２ 参照光
ｒ１、ｒ２ 再入射光

Claims (2)

1. レーザー発振器と受光部とを設けた基板を有し、反射型回折格子を有するスケールと当該スケールとの間に干渉光学系を挟んだ反射型エンコーダであって、
   前記干渉光学系が、背面に回折格子を設けたコリメートレンズを有する反射型エンコーダ。
   
2. 前記コリメートレンズがガラス基材上へのポッティング又は積層加工によって形成される、請求項１記載の反射型エンコーダ。

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