JP2018072273A - エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】干渉縞を利用した測定において誤差を抑制することができるエンコーダを提供する。【解決手段】エンコーダ１Ａは、光源１０と、回折格子２０ａを有するスケール２０と、受光部３０と、光源１０からスケール２０を介して受光部３０までの間で回折格子２０ａによる複数回の回折を形成する光路として、互いに等しい光路長を有する第１光路および第２光路を構成する反射部と、を備える。このエンコーダにおいて、光源から放出される光は低可干渉光である。また、第１光路および第２光路の光路長を正規光路長、第１光路および第２光路以外の光路の光路長を非正規光路長とした場合、反射部は、正規光路長が非正規光路長とは異なるように構成されている。【選択図】図１

Description

本発明はエンコーダに関し、より詳しくは、スケールピッチの１／２^ｎ（ｎは正の整数）倍の信号を出力するエンコーダに関する。

特許文献１には、干渉縞を利用したエンコーダが開示されている。このエンコーダでは、移動物体に取り付けた回折格子に可干渉性の光束を複数回入射させて、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量を測定している。光源には、レーザ光のような可干渉光源が利用される。この光源からスケールを介して受光素子に到達するまでの光路上に複数のコーナーキューブが設けられる。このような構成によって、複数回の回折によりスケールピッチの１／８倍の正弦波信号出力を得ている。

特開平２−８５７１５号公報

しかしながら、光源から受光素子までの光路には、測定において想定される正規の光路（正規光路）と、想定されていない迷光による光路（迷光光路）とが存在する。この正規光路を通る光と迷光光路を通る光との干渉や、複数の迷光光路を通る光の干渉は、測定に必要な正弦波信号に誤差を発生させる原因となる。

本発明は、干渉縞を利用した測定において誤差を抑制することができるエンコーダを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のエンコーダは、光源と、回折格子を有するスケールと、受光部と、光源からスケールを介して受光部までの間で回折格子による複数回の回折を形成する光路として、互いに等しい光路長を有する第１光路および第２光路を構成する反射部と、を備える。このエンコーダにおいて、光源から放出される光は低可干渉光である。また、第１光路および第２光路の光路長を正規光路長、第１光路および第２光路以外の光路の光路長を非正規光路長とした場合、反射部は、正規光路長が非正規光路長とは異なるように構成されている。

このような構成によれば、スケールの回折格子によって複数回の回折を形成する光路を構成する反射部において、正規光路長が非正規光路長とは異なるようになっている。光源から光を放出することで正規光路である第１光路を通る光と第２光路を通る光とで干渉が発生する。光源からは低可干渉光（正規光路長と非正規光路長との光路差よりも短いコヒーレント長の光）が放出されるため、正規光路を通る光と非正規光路を通る光とでは干渉が抑制される。これにより、正規光路を通る光の干渉で生成される正弦波信号に含まれる誤差を抑制することができる。

本発明のエンコーダにおいて、反射部は、第１反射部材と、第２反射部材と、第１光路および第２光路において第１反射部材と第２反射部材との間に設けられる中間反射部材と、を有していてもよい。スケールの回折格子が設けられる面に対して垂直な方向において、第１反射部材とスケールとの距離は、第２反射部材とスケールとの距離と異なっている。これにより、第１反射部材を介した非正規光路と、第２反射部材を介した非正規光路とに光路差を設けることができる。

本発明のエンコーダにおいて、光源、受光部、第１反射部材、第２反射部材および中間反射部材は、スケールの一方側に配置されていてもよい。これにより、スケールに対して反射型の光路を構成することができる。

本発明のエンコーダにおいて、光源、受光部および中間反射部はスケールの一方側に配置され、第１反射部材および第２反射部材はスケールの他方側に配置されていてもよい。これにより、スケールに対して透過型の光路を構成することができる。

本発明のエンコーダにおいて、光源は、スーパールミネッセンスダイオード（ＳＬＤ）を有していてもよい。これにより、正規光路を通る光での強い干渉と、非正規光路を通る光での干渉抑制とを両立することができる。

（ａ）および（ｂ）は、第１実施形態に係るエンコーダの構成を例示する模式図である。 （ａ）および（ｂ）は、非正規光路を例示する模式図である。 （ａ）および（ｂ）は、参考例を示す模式図である。 （ａ）および（ｂ）は、参考例を示す模式図である。 （ａ）および（ｂ）は、第２実施形態に係るエンコーダの構成を例示する模式図である。 （ａ）および（ｂ）は、非正規光路を例示する模式図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明では、同一の部材には同一の符号を付し、一度説明した部材については適宜その説明を省略する。

〔第１実施形態〕
図１（ａ）〜図２（ｂ）は、第１実施形態に係るエンコーダの構成を例示する模式図である。
本実施形態に係るエンコーダ１Ａは、回折光の干渉によって生じる干渉縞によってスケール２０と光学系との相対的な移動量を検出するものである。エンコーダ１Ａは、光源１０と、スケール２０と、受光部３０と、反射部４０とを備える。

光源１０から放出される光は、後述する正規光路長と非正規光路長との光路差よりも短いコヒーレント長を有する。すなわち、光源１０から放出される光は低可干渉光である。本実施形態では、レーザ光よりも低コヒーレントな光（時間コヒーレントが低い光）が用いられる。このような低コヒーレントな光を放出する光源１０としては、例えばスーパールミネッセンスダイオード（ＳＬＤ）が挙げられる。光源１０としてＳＬＤを用いる場合、数十μｍ〜数百μｍのコヒーレント長のものが適用される。

スケール２０は、回折格子（図示せず）を有する。回折格子は所定ピッチの凹凸やスリットなどによって構成される。回折格子はスケール２０の面２０ａに設けられる。直線のスケール２０では直線移動の量を検出し、円形のスケール２０では回転量（回転角度）を検出する。光源１０から放出される光は、スケール２０の回折格子が設けられた面２０ａと直交する方向に照射される。

受光部３０は、例えばラインセンサを含む。受光部３０は、干渉縞の濃淡を電気信号に変換して出力する。受光部３０の後段には図示しない演算部が設けられ、受光した干渉縞に基づく電気信号に対する処理を行っている。

反射部４０は、光源１０からスケール２０を介して受光部３０までの間で回折格子による複数回の回折を形成する光路を形成するための反射光学系である。複数回の回折を形成するための光路として、反射部４０は正規光路である第１光路および第２光路を構成する。

第１光路および第２光路を構成するため、反射部４０は、第１反射部材４１、第２反射部材４２および中間反射部材４３を有する。これらの反射部材によって３回の回折光を形成して、スケール２０に設けられた回折格子のピッチの１／８倍の信号を出力することができる。

第１反射部材４１、第２反射部材４２および中間反射部材４３は、例えばコーナーキューブによって構成される。コーナーキューブは、互いに直交する２つの反射面を有する。第１反射部材４１は、スケール２０の面２０ａの側において光源１０の光軸の一方側に配置される。第２反射部材４２は、スケール２０の面２０ａの側において光源１０の光軸の他方側に配置される。中間反射部材４３は、スケール２０の面２０ａの側において、第１反射部材４１と第２反射部材４２との間に配置される。受光部３０は、スケール２０の面２０ａと中間反射部材４３との間に配置される。

本実施形態では、光源１０、受光部３０、第１反射部材４１、第２反射部材４２および中間反射部材４３が、スケール２０の回折格子が設けられた面２０ａの側に、配置される。これにより、反射型のエンコーダ１Ａが構成される。

そして、スケール２０の面２０ａに対して垂直な方向において、第１反射部材４１とスケール２０との距離Ｄ１は、第２反射部材４２とスケール２０との距離Ｄ２と異なっている。図１に示す例では、距離Ｄ１は距離Ｄ２よりも短くなっている。

図１（ａ）の線および矢印は、第１光路を示している。第１光路は、光線ｃ１、ｃ１１〜ｃ１７によって構成される。第１光路は、光源１０、スケール２０、第２反射部材４２、スケール２０、中間反射部材４３、スケール２０、第１反射部材４１、スケール２０、受光部３０の順に向かう光路である。

具体的には、先ず、光源１０から放出された光による光線ｃ１は、スケール２０の面２０ａに垂直に向かう。スケール２０の面２０ａに設けられた回折格子によって回折光が生成される。回折光のうち第２反射部材４２に向かう光線ｃ１１は、第２反射部材４２で反射して光線ｃ１２となり、スケール２０に向かう。光線ｃ１２はスケール２０の面２０ａに設けられた回折格子で回折して光線ｃ１３となり、中間反射部材４３へ向かう。光線ｃ１３は中間反射部材４３で反射して光線ｃ１４となり、再びスケール２０に向かう。光線ｃ１４はスケール２０の面２０ａに設けられた回折格子によって回折して光線ｃ１５となり、第１反射部材４１へ向かう。光線ｃ１５は第１反射部材４１で反射して光線ｃ１６となり、再びスケール２０に向かう。光線ｃ１６はスケール２０の面２０ａに設けられた回折格子によって回折して光線ｃ１７となり、受光部３０へ向かう。

図１（ｂ）の線および矢印は、第２光路を示している。第２光路は、光線ｃ１、ｃ２１〜ｃ２７によって構成される。第２光路は、光源１０、スケール２０、第１反射部材４１、スケール２０、中間反射部材４３、スケール２０、第２反射部材４２、スケール２０、受光部３０の順に向かう光路である。

具体的には、先ず、光源１０から放出された光による光線ｃ１は、スケール２０の面２０ａに垂直に向かう。スケール２０の面２０ａに設けられた回折格子によって回折光が生成される。回折光のうち第１反射部材４１に向かう光線ｃ２１は、第１反射部材４１で反射して光線ｃ２２となり、スケール２０に向かう。光線ｃ２２はスケール２０の面２０ａに設けられた回折格子で回折して光線ｃ２３となり、中間反射部材４３へ向かう。光線ｃ２３は中間反射部材４３で反射して光線ｃ２４となり、再びスケール２０に向かう。光線ｃ２４はスケール２０の面２０ａに設けられた回折格子によって回折して光線ｃ２５となり、第２反射部材４２へ向かう。光線ｃ２５は第２反射部材４２で反射して光線ｃ２６となり、再びスケール２０に向かう。光線ｃ２６はスケール２０の面２０ａに設けられた回折格子によって回折して光線ｃ２７となり、受光部３０へ向かう。

上記の第１光路による光路長は、第２光路による光路長と等しい。第１光路による光線ｃ１７と第２光路による光線ｃ２７とが干渉して干渉縞が発生し、受光部３０は干渉縞による濃淡の信号を得ることができる。

図２（ａ）および（ｂ）は、非正規光路を例示する模式図である。図２（ａ）には非正規光路の一つである第３光路が例示され、図２（ｂ）には非正規光路の他の一つである第４光路が例示される。

図２（ａ）に示す第３光路は、光線ｃ１、ｃ３１〜ｃ３７によって構成される。第３光路は、光源１０、スケール２０、第１反射部材４１、スケール２０、中間反射部材４３、スケール２０、第１反射部材４１、スケール２０、受光部３０の順に向かう光路である。すなわち、非正規光路である第３光路は、第２反射部材４２で反射せずに第１反射部材４１で２回反射する光路である。

図２（ｂ）に示す第４光路は、光線ｃ１、ｃ４１〜ｃ４７によって構成される。第４光路は、光源１０、スケール２０、第２反射部材４２、スケール２０、中間反射部材４３、スケール２０、第２反射部材４２、スケール２０、受光部３０の順に向かう光路である。すなわち、非正規光路である第４光路は、第１反射部材４１で反射せずに第２反射部材４２で２回反射する光路である。

本実施形態では、距離Ｄ１と距離Ｄ２とが互いに相違しているため、第３光路による光路長と、第４光路による光路長とが異なることになる。この光路長の差によって、第３光路による光線ｃ３７と第４光路による光線ｃ４７との干渉が抑制される。

また、本実施形態では、正規光路である第１光路および第２光路の光路長と、非正規光路である第３光路の光路長とが異なる。また、第１光路および第２光路の光路長は、第４光路の光路長とも相違する。光源１０からは低可干渉光（正規光路長と非正規光路長との光路差よりも短いコヒーレント長の光）が放出されるため、正規光路である第１光路の光と第２光路の光とでは強い干渉が発生するものの、正規光路である第１光路および第２光路の光と非正規光路である第３光路および第４光路の光とでは強い干渉は発生しない。すなわち、正規光路と非正規光路との光路差を、光源１０のコヒーレント長よりも長くすることで、迷光の干渉縞を発生させずに、正規光路の光による干渉縞を明確に発生させることができる。したがって、正規光路での干渉による干渉縞が明瞭に現れ、非正規光路の光による誤差を抑制することができる。

〔参考例〕
図３（ａ）〜図４（ｂ）は、参考例を示す模式図である。
図３（ａ）〜図４（ｂ）には、第１反射部材４１の距離Ｄ１と、第２反射部材４２の距離Ｄ２とが同じ構成の例が示される。
図３（ａ）および（ｂ）には正規光路（参考例の第１光路および第２光路）による光線が示され、図４（ａ）および（ｂ）には非正規光路（参考例の第３光路および第４光路）による光線が示される。

図３（ａ）に示す参考例の第１光路は、光源１０、スケール２０、第２反射部材４２、スケール２０、中間反射部材４３、スケール２０、第１反射部材４１、スケール２０、受光部３０の順に向かう光路である。図３（ｂ）に示す参考例の第２光路は、光源１０、スケール２０、第１反射部材４１、スケール２０、中間反射部材４３、スケール２０、第２反射部材４２、スケール２０、受光部３０の順に向かう光路である。

図４（ａ）に示す参考例の第３光路は、光源１０、スケール２０、第１反射部材４１、スケール２０、中間反射部材４３、スケール２０、第１反射部材４１、スケール２０、受光部３０の順に向かう光路である。図４（ｂ）に示す参考例の第４光路は、光源１０、スケール２０、第２反射部材４２、スケール２０、中間反射部材４３、スケール２０、第２反射部材４２、スケール２０、受光部３０の順に向かう光路である。

このような参考例において、第１光路、第２光路、第３光路および第４光路のそれぞれの光路長は互いに等しくなっている。したがって、受光部３０に向かう第１光路、第２光路、第３光路および第４光路のそれぞれの光によって干渉が発生し、正規光路での干渉に非正規光路での干渉が影響を与えることになる。

図１（ａ）〜図２（ｂ）に示す本実施形態のエンコーダ１Ａでは、正規光路での干渉によって明確な明暗を生成することができるとともに、非正規光路での干渉が与える影響を抑制できるため、正規光路での干渉によって精度の高い検出を行うことが可能となる。

特に、複数回の回折光の生成によって回折格子のピッチよりも狭い測定精度を得る場合、反射回数が多いほど非正規光路による僅かな干渉の影響が誤差の原因になりやすい。本実施形態では、非正規光路による影響を抑止できるため、複数回の回折光の生成を利用したエンコーダ１Ａの測定精度向上に有効である。

〔第２実施形態〕
図５（ａ）〜図６（ｂ）は、第２実施形態に係るエンコーダの構成を例示する模式図である。
本実施形態に係るエンコーダ１Ｂは、光源１０と、スケール２０と、受光部３０と、反射部４０とを備える。反射部４０は、第１反射部材４１、第２反射部材４２および中間反射部材４３を有する。このうち、光源１０、受光部３０および中間反射部材４３はスケール２０の一方側に設けられ、第１反射部材４１および第２反射部材４２はスケール２０の他方側に設けられる。これにより、透過型のエンコーダ１Ｂが構成される。

そして、スケール２０の面２０ａに対して垂直な方向において、第１反射部材４１とスケール２０との距離Ｄ１は、第２反射部材４２とスケール２０との距離Ｄ２と異なっている。図５に示す例では、距離Ｄ１は距離Ｄ２よりも短くなっている。

図５（ａ）の線および矢印は、第１光路を示している。第１光路は、光線ｃ１、ｃ５１〜ｃ５７によって構成される。第１光路は、光源１０、スケール２０、第２反射部材４２、スケール２０、中間反射部材４３、スケール２０、第１反射部材４１、スケール２０、受光部３０の順に向かう光路である。

具体的には、先ず、光源１０から放出された光による光線ｃ１は、スケール２０の面２０ａに垂直に向かう。スケール２０の面２０ａに設けられた回折格子を光線ｃ１が通過することで回折光が生成される。回折光のうち第２反射部材４２に向かう光線ｃ５１は、第２反射部材４２で反射して光線ｃ５２となり、スケール２０に向かう。光線ｃ５２はスケール２０の面２０ａに設けられた回折格子を通過することで回折して光線ｃ５３となり、中間反射部材４３へ向かう。光線ｃ５３は中間反射部材４３で反射して光線ｃ５４となり、再びスケール２０に向かう。光線ｃ５４はスケール２０の面２０ａに設けられた回折格子を通過することで回折して光線ｃ５５となり、第１反射部材４１へ向かう。光線ｃ５５は第１反射部材４１で反射して光線ｃ５６となり、再びスケール２０に向かう。光線ｃ５６はスケール２０の面２０ａに設けられた回折格子を通過することで回折して光線ｃ５７となり、受光部３０へ向かう。

図５（ｂ）の線および矢印は、第２光路を示している。第２光路は、光線ｃ１、ｃ６１〜ｃ６７によって構成される。第２光路は、光源１０、スケール２０、第１反射部材４１、スケール２０、中間反射部材４３、スケール２０、第２反射部材４２、スケール２０、受光部３０の順に向かう光路である。

具体的には、先ず、光源１０から放出された光による光線ｃ１は、スケール２０の面２０ａに垂直に向かう。スケール２０の面２０ａに設けられた回折格子を光線ｃ１が通過することで回折光が生成される。回折光のうち第１反射部材４１に向かう光線ｃ６１は、第１反射部材４１で反射して光線ｃ６２となり、スケール２０に向かう。光線ｃ６２はスケール２０の面２０ａに設けられた回折格子を通過することで回折して光線ｃ６３となり、中間反射部材４３へ向かう。光線ｃ６３は中間反射部材４３で反射して光線ｃ６４となり、再びスケール２０に向かう。光線ｃ６４はスケール２０の面２０ａに設けられた回折格子を通過することで回折して光線ｃ６５となり、第２反射部材４２へ向かう。光線ｃ６５は第２反射部材４２で反射して光線ｃ６６となり、再びスケール２０に向かう。光線ｃ６６はスケール２０の面２０ａに設けられた回折格子を通過することで回折して光線ｃ６７となり、受光部３０へ向かう。

上記の第１光路による光路長は、第２光路による光路長と等しい。第１光路による光線ｃ５７と第２光路による光線ｃ６７とが干渉して干渉縞が発生し、受光部３０は干渉縞による濃淡の信号を得ることができる。

図６（ａ）および（ｂ）は、非正規光路を例示する模式図である。図６（ａ）には非正規光路の一つである第３光路が例示され、図６（ｂ）には非正規光路の他の一つである第４光路が例示される。

図６（ａ）に示す第３光路は、光線ｃ１、ｃ７１〜ｃ７７によって構成される。第３光路は、光源１０、スケール２０、第１反射部材４１、スケール２０、中間反射部材４３、スケール２０、第１反射部材４１、スケール２０、受光部３０の順に向かう光路である。すなわち、非正規光路である第３光路は、第２反射部材４２で反射せずに第１反射部材４１で２回反射する光路である。

図６（ｂ）に示す第４光路は、光線ｃ１、ｃ８１〜ｃ８７によって構成される。第４光路は、光源１０、スケール２０、第２反射部材４２、スケール２０、中間反射部材４３、スケール２０、第２反射部材４２、スケール２０、受光部３０の順に向かう光路である。すなわち、非正規光路である第４光路は、第１反射部材４１で反射せずに第２反射部材４２で２回反射する光路である。

本実施形態では、第１実施形態と同様に、距離Ｄ１と距離Ｄ２とが互いに相違しているため、第３光路による光路長と、第４光路による光路長とが異なることになる。この光路長の差によって、第３光路による光線ｃ７７と第４光路による光線ｃ８７との干渉が抑制される。

また、正規光路である第１光路および第２光路の光路長と、非正規光路である第３光路の光路長とが異なる。また、第１光路および第２光路の光路長は、第４光路の光路長とも相違する。光源１０からは低可干渉光が放出されるため、正規光路での干渉による干渉縞が明瞭に現れ、非正規光路の光による誤差を抑制することができる。

以上説明したように、実施形態によれば、干渉縞を利用した測定において誤差を抑制することができるエンコーダ１Ａ、１Ｂを提供することができる。

なお、上記に本実施形態を説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。例えば、反射部４０の構成は、第１反射部材４１、第２反射部材４２および中間反射部材４３には限定されず、さらに多くの反射部材によって４回以上の回折光の反射を実現する構成であってもよい。また、前述の各実施形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除、設計変更を行ったものや、各実施形態の特徴を適宜組み合わせたものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含有される。

１Ａ，１Ｂ…エンコーダ
１０…光源
２０…スケール
２０ａ…面
３０…受光部
４０…反射部
４１…第１反射部材
４２…第２反射部材
４３…中間反射部材
Ｄ１…距離
Ｄ２…距離

Claims (5)

1. 光源と、
   回折格子を有するスケールと、
   受光部と、
   前記光源から前記スケールを介して前記受光部までの間で前記回折格子による複数回の回折を形成する光路として、互いに等しい光路長を有する第１光路および第２光路を構成する反射部と、
   を備え、
   前記第１光路および前記第２光路の光路長を正規光路長、前記第１光路および前記第２光路以外の光路の光路長を非正規光路長とした場合、前記反射部は、前記正規光路長が前記非正規光路長とは異なるように構成され、
   前記光源は、前記正規光路長と前記非正規光路長との光路差よりも短いコヒーレント長の光を放出することを特徴とするエンコーダ。
2. 前記反射部は、
   第１反射部材と、
   第２反射部材と、
   前記第１光路および前記第２光路において前記第１反射部材と前記第２反射部材との間に設けられる中間反射部材と、を有し、
   前記スケールの前記回折格子が設けられる面に対して垂直な方向において、前記第１反射部材と前記スケールとの距離は、前記第２反射部材と前記スケールとの距離と異なっている、請求項１記載のエンコーダ。
3. 前記光源、前記受光部、前記第１反射部材、前記第２反射部材および前記中間反射部材は、前記スケールの一方側に配置された、請求項２記載のエンコーダ。
4. 前記光源、前記受光部および前記中間反射部材は前記スケールの一方側に配置され、
   前記第１反射部材および前記第２反射部材は前記スケールの他方側に配置された、請求項２記載のエンコーダ。
5. 前記光源は、スーパールミネッセンスダイオード（ＳＬＤ）を有する、請求項１〜４のいずれか１つに記載のエンコーダ。

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