JP2586120B2 - エンコーダー - Google Patents

エンコーダー

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JP2586120B2
JP2586120B2 JP63237965A JP23796588A JP2586120B2 JP 2586120 B2 JP2586120 B2 JP 2586120B2 JP 63237965 A JP63237965 A JP 63237965A JP 23796588 A JP23796588 A JP 23796588A JP 2586120 B2 JP2586120 B2 JP 2586120B2
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    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
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    • G01D5/38—Forming the light into pulses by diffraction gratings

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Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はエンコーダーに関し、特に移動物体に取付け
た回折格子に可干渉性光束を複数回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、該干
渉縞の明暗の縞を計数することによって回折格子の移動
量、即ち移動物体の移動量を測定するロータリーエンコ
ーダーやリニアエンコーダー等の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ロー
タリーエンコーダーやリニアエンコーダーが良く知られ
ている。
第６図は従来のリニアエンコーダーの一例の構成図で
ある。同図において１はレーザー、２はコリメーターレ
ンズ、３は不図示の移動物体に取付けた格子ピッチｄの
回折格子であり、例えば矢印の方向に速度ｖで移動して
いる。51,52は各々1/4波長板、41,42は回折格子３の傾
きによって生ずる再回折光の軸ずれを防止する為のダハ
プリズム、又はコーナーキューブ反射鏡、６はビームス
プリッター、71,72は偏光板で各々偏光軸は互いに直交
しており、更に1/4波長板51,52の偏光軸と45度の角度を
なすように配置されている。81,82は各々受光素子であ
る。
同図においてレーザー１からの光束はコリメーターレ
ンズ２により略平行光束となり回折格子３に入射する。
回折格子３で回折された正と負のｍ次の回折光は1/4波
長板51,52を介してコーナーキューブ反射鏡41,42で反射
させて、回折格子３に再度入射し再び正と負のｍ次の回
折光となって重なり合いビームスプリッター６で２光束
に分割されて偏光板71,72を介して受光素子81,82に入射
する。
ここで受光素子81,82に入射する光束は1/4波長板51,5
2と偏光板71,72の組み合わせによって互いに90度の位相
差がつけられ、回折格子３の移動方向の弁別に用いられ
ている。そして受光素子81,82で受光される干渉縞の明
暗の縞を計数することにより回折格子３の移動量を求め
ている。
第６図に示す従来のエンコーダーにおいては±ｍ次の
回折光を回折格子に往復させて使用しているので、受光
素子81,82からは回折格子３の格子ピッチＰの1/4mの周
期の正弦波信号が得られる。例えば回折格子３の格子ピ
ッチを1.6μｍとし、±１次回折光を利用したとすれ
ば、受光素子81,82からはピッチの1/4の0.4μｍ周期の
正弦波信号が得られる。この正弦波信号から、例えば5n
m間隔の出力パルスを得ようとすると、後段の電気分割
回路で電気的に80分割しなければならなくなる。一般に
電気的な分割は信号のS/Nが低下する傾向があり、高分
割化が難しい。この為、エンコーダーヘッドの出力その
ものの高分解能化が要求されている。
（発明が解決しようとする問題点） 本発明は可干渉性の光束を回折格子に入射させ、該回
折格子から生ずる反射回折光を該回折格子に繰り返し往
復入射させることにより、従来の方式に比べてより高分
解能の検出が可能なロータリーエンコーダーやリニアエ
ンコーダー等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） 本発明のエンコーダーは、 （１−１）可干渉性光源からの第１の光束を回折格子に
第１回目の入射をさせ、該第１の光束の該回折格子から
の反射回折光を第１反射手段により該回折格子に第２回
目の入射をさせ、次いで該回折格子からの反射回折光を
第２反射手段により該回折格子に第３回目の入射をさ
せ、更に該回折格子からの反射回折光を該第１反射手段
により該回折格子に第４回目の入射をさせて該第１の光
束の４回回折光を回折させ、前記可干渉性光源からの第
２の光束を回折格子に第１回目の入射をさせ、該第２の
光束の該回折格子からの反射回折光を第３反射手段によ
り該回折格子に第２回目の入射をさせ、次いで該回折格
子からの反射回折光を前記第２反射手段により該回折格
子に第３回目の入射をさせ、更に該回折格子からの反射
回折光を前記第３反射手段により該回折格子に第４回目
の入射をさせて該第２の光束を４回回折させ、前記第１
の光束の４回回折光と前記第２の光束の４回回折光とか
ら干渉縞を形成し、該干渉縞の明暗の縞を計数すること
により該回折格子の移動状態を検出したことを特徴とし
ている。
（１−２）可干渉性光源からの第１の光束を回折格子に
第１回目の入射をさせ、該第１の光束の該回折格子から
の反射回折光を第１反射手段により該回折格子に第２回
目の入射をさせ、次いで該回折格子からの反射回折光を
第２反射手段により該回折格子に第３回目の入射をさ
せ、更に該回折格子からの反射回折光を該第１反射手段
により該回折格子に第４回目の入射をさせて該第１の光
束を４回回折させ、前記可干渉性光源からの第２の光束
を回折格子に第１回目の入射をさせ、該第２の光束の該
回折格子からの反射回折光を前記第１反射手段により該
回折格子に第２回目の入射をさせ、次いで該回折格子か
らの反射回折光を第３反射手段により該回折格子に第３
回目の入射をさせ、更に該回折格子からの反射回折光を
前記第１反射手段により該回折格子に第４回目の入射を
させて該第２の光束を４回回折させ、前記第１の光束の
４回回折光と前記第２の光束の４回回折光とから干渉縞
を形成し、該干渉縞の明暗の縞を計数することにより該
回折格子の移動状態を検出したことを特徴としている。
（実施例） 第１図は本発明の一実施例の光学系の概略図である。
同図において１はマルチモード半導体レーザー、２はコ
リメーターレンズ、３は不図示の移動物体に取付けた格
子ピッチｄの位相形回折格子であり、例えば矢印の方向
に速度ｖで移動している。
41,42は回折格子３の傾きによって生ずる再回折光の
軸ずれを防止する為のダハプリズム、又はコーナーキュ
ーブ反射鏡、６はビームスプリッター、８は受光素子で
ある。９は端面結像タイプの屈折率分布型レンズであ
り、一方の端面には反射膜10が蒸着されて反射面を構成
している。屈折率分布型レンズ９と反射膜10とにより反
射光学系20を形成している。
同図においてレーザー１からの光束はコリメーターレ
ンズ２により略平行光束となりビームスプリッター６を
透過して回折格子３に略垂直に第１回目の入射をする。
回折格子３で反射回折された正と負のｍ次の回折光は角
度θmで射出し、第１反射手段としてのコーナーキュー
ブ反射鏡41，第３反射手段としてのコーナーキューブ反
射鏡42で反射し、回折格子３に第２回目の入射をする。
このうち正と負のｍ次の反射回折光は回折格子３に対し
て垂直方向に重なり合って射出する。
回折格子３からほぼ垂直に重なり合って射出された±
ｍ次の反射回折光は屈折率分布型レンズ９に入り、他端
面に蒸着された反射膜10で反射されて元の光路を戻り、
回折格子３に第３回目の入射をする。
ここで屈折率分布型レンズ９と反射膜10より成る反射
光学系20は第２反射手段を構成している。
そして回折格子３で反射回折した±ｍ次の反射回折光
はコーナーキューブ41,42で反射した後、回折格子３に
第４回目の入射をする。そして更に回折格子３で回折し
た±ｍ次の回折光は回折格子３に垂直方向に射出し、ビ
ームスプリッター６で反射し受光素子８に入射する。
本実施例において受光素子８は±ｍ次の回折を各４回
ずつ受けて干渉した光を受光している。そして回折格子
３の変位による干渉光の明暗の変化を受光素子８で検出
して、回折格子３の変位位置を測定している。受光素子
８では±ｍ次回折を各４回受けた光の干渉を受光してい
るので、回折格子３が１ピッチＰだけ変位すると、干渉
光の明暗の変化は4m×２＝8m回繰り返されることにな
る。即ち受光素子８からはP/8m周期の正弦波信号が出力
される。例えば回折格子３のピッチを1.6μｍ、回折次
数として±１次回折光を選択すると、受光素子８からは
0.2μｍ周期の正弦波信号が出力される。これは第６図
に示す従来のエンコーダーに比べて２倍の分解能が得ら
れることになる。つまり、5nm間隔の出力パルスを得る
ための後段の電気分割回路の分割数は40ですむことにな
る。
本実施例における反射光学系20は焦点面近傍に反射膜
10を施した反射面を配置している為に例えばレーザー光
の発振波長の変化に伴う回折賀来が微少変化して反射光
学系への入射角が多少変化しても、略同じ光路で戻すこ
とができる。これにより２つの正と負と回折光を重なり
合わせ受光素子８の出力信号のS/N比の低下を防止して
いる。
尚、本実施例では反射光学系20として屈折率分布型レ
ンズを用いているが、例えば第２図にように集光レンズ
11と反射鏡12の組み合わせで構成しても良い。
又、本実施例においては反射回折光を用いているが、
透過回折光を利用しても良い。
本実施例においては光束を回折格子により全体として
４回回折させているので回折格子３のｍ次の回折効率が
なるべく高くなるように回折格子を構成するのが良い。
この為、回折格子としては第３図（Ａ）に示すエシュ
レット格子13や第３図（Ｂ）に示すラメラ格子14のよう
な位相型格子を用いている。
尚、回折格子で回折させる際、４回以上回折した所定
次数の回折光を用いるようにしても良い。
第４図，第５図は各々本発明の第2,第３実施例の光学
系の概略図である。第4,第５図において第１図と同一機
能を有する要素には同一符番を付している。
第４図に示す実施例は回折格子３の移動方向も判別で
きるように第１図の実施例の一部を改良したものであ
る。第４図においては51,52は1/4波長板、71,72は偏光
板である。
第１図では受光素子８でビームスプリッター６からの
光束を直接受光していたが、本実施例では第４図に示す
ようにビームスプリッター62で２光束に分割し、受光素
子81,82で受光する際、1/4波長板51,52と偏光板71,72を
利用して２つの受光素子81,82で得られる出力信号間に9
0度の位相差をつけている。
これにより単に移動量のみだけではなく移動方向も判
別できるようにしている。
第５図に示す実施例では半導体レーザー１からの光束
を偏光ビームスプリッター16を用いて２光束に分割した
後、ミラー171,172を介して回折格子３に所定角度で入
射させ、これによりビームスプリッターを用いた場合に
比べ光量の損失を少なくしている。
同図において実線で示す光路は回折格子３で生ずる±
ｍ次の回折を４回受けた回折光の光路を示し、破線で示
す光路は回折格子３で生ずる−ｍ次の回折を４回受けた
回折光の光路を示している。201,202は反射光学系、４
はコーナーキューブであり、コーナーキュー部４は第１
反射手段、201は第２反射手段、202は第３反射手段を構
成している。
本実施例において回折格子３からの回折光の偏光ビー
ムスプリッター16を通過し、受光素子81,82に至る光路
は第４図に示す実施例と同様であり、1/4波長板51,52と
偏光板71,72を用いて２つの受光素子81,82で受光するよ
うにし、出力信号間に90度の位相差をつけ回折格子３の
移動方向も判別出来るようにしている。
本実施例において、半導体レーザ１から射出したレー
ザ光は偏光ビームスプリッター16によりＰ偏光とＳ偏光
の２つの偏光光束に分割される。偏光ビームスプリッタ
ー16で反射するＳ偏光光はミラー172を介して回折格子
３に斜めに入射し、回折格子３で反射回折される。一
方、偏光ビームスプリッター16を透過したＰ偏光光もミ
ラー171を介して回折格子３に斜め入射し、回折格子３
で反射回折される。この時の各光の回折格子３への入射
角（回折格子３の垂線からの傾き角）は、回折格子３に
よる１次の回折光の回折角と等しく設定されている。従
って、回折格子３で回折されたＳ偏光光とＰ偏光光の内
の各々＋１次回折光、及び−１次回折光は回折格子３か
ら垂直に射出し、各々コーナーキューブ４の対向する反
射面に向かう。
コーナーキューブ４で反射された＋１次回折光は回折
格子３に垂直入射し、回折格子３で再び回折される。こ
の時生じる±１次の回折光の内＋１次回折光はλ/4板52
を介して反射光学系202に向かい、反射光学系202により
λ/4板52を再び介して回折格子３上の同一位置に戻され
る。そして、回折格子３で再び回折されて生じる＋１次
回折光は再びコーナーキューブ４に入射し、コーナーキ
ューブ４によって再び回折格子３に指向され、回折格子
３に垂直入射する。回折格子３で回折して生じる＋１次
回折光はミラー172を介して偏光ビームスプリッター16
へ向かう。ここで、この＋１次回折光はλ/4板52を２回
通過している為、Ｐ偏光光となっており、偏光ビームス
プリッター16を透過する。
一方、コーナーキューブ４で最初に反射した−１次回
折光は回折格子３に垂直入射し、回折格子３で再び回折
される。この時生じる±１次回折光の内−１次回折光は
λ/4板51を介して反射光学系201に向かい、反射光学系2
01によりλ/4板51を再び介して回折格子３上の同一位置
に戻される。そして回折格子３で再び回折されて生じる
−１次回折光は再びコーナーキューブ４に入射し、コー
ナーキューブ４によって再び回折格子３に指向され、回
折格子３に垂直入射する。回折格子３で生じる−１次回
折光はミラー171を介して偏光ビームスプリッター16へ
向かう。ここで、この−１次回折光はλ/4板51を２回通
過している為、Ｓ偏光光となっており偏光ビームスプリ
ッター16で反射する。
こうして、回折格子３で４回の回折を受けた±１次回
折光同志が偏光ビームスプリッター16で重なり合うので
ある。
本実施例の回折格子３は位相形回折格子から成ってお
り、零示の回折光が生じない様に格子の深さｄを限定し
ている。具体的には、半導体レーザ１の発振波長をλと
した時、ｄ＝λ/4となる様に形成されている。これによ
り入射光のエネルギーを±１次回折光に十分配分して測
定感度を上げている。
本実施例では１つのコーナーキューブ４を±ｍ次回折
光が共有するように構成しているのを特長としている。
尚、以上の各実施例ではリニアエンコーダーについて
説明したがロータリーエンコーダーについても全く同様
に適用することができる。又、回折格子による回折回数
は４回に限らず４回以上偶数回、又は奇数回であっても
良い。
（発明の効果） 本発明によれば、２つの４回回折光を複数の反射手段
を介して形成する際に１つの反射手段を共有して形成す
ることにより、移動物体の移動情報の検出分解能の向上
と装置全体の小型化の双方を両立させたエンコーダーを
達成することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の第１実施例の光学系の概略図、第２図
は第１図の一部分の他の実施例の説明図、第３図
（ａ），（ｂ）は第１図の一部分の説明図、第4,第５図
は本発明の第2,第３実施例の概略図、第６図は従来のリ
ニアエンコーダーの説明図である。 図中、１はレーザー、２はコリメーターレンズ、３は回
折格子、4,41,42はコーナーキューブ、51,52は1/4波長
板、6,62はビームスプリッター、71,72は偏光板、8,81,
82は受光素子、9,91,92は屈折率分布型レンズ、10,101,
102は反射膜、20,201,202は反射光学系である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石塚 公 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ャノン株式会社内 (72)発明者 築地 正彰 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ャノン株式会社内 (56)参考文献 特公 平６−8726（ＪＰ，Ｂ２) 特公 平７−3344（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】可干渉性光源からの第１の光束を回折格子
    に第１回目の入射をさせ、該第１の光束の該回折格子か
    らの反射回折光を第１反射手段により該回折格子に第２
    回目の入射をさせ、次いで該回折格子からの反射回折光
    を第２反射手段により該回折格子に第３回目の入射をさ
    せ、更に該回折格子からの反射回折光を該第１反射手段
    により該回折格子に第４回目の入射をさせて該第１の光
    束の４回回折光を回折させ、前記可干渉性光源からの第
    ２の光束を回折格子に第１回目の入射をさせ、該第２の
    光束の該回折格子からの反射回折光を第３反射手段によ
    り該回折格子に第２回目の入射をさせ、次いで該回折格
    子からの反射回折光を前記第２反射手段により該回折格
    子に第３回目の入射をさせ、更に該回折格子からの反射
    回折光を前記第３反射手段により該回折格子に第４回目
    の入射をさせて該第２の光束を４回回折させ、前記第１
    の光束の４回回折光と前記第２の光束の４回回折光とか
    ら干渉縞を形成し、該干渉縞の明暗の縞を計数すること
    により該回折格子の移動状態を検出したことを特徴とす
    るエンコーダー。
  2. 【請求項２】可干渉性光源からの第１の光束を回折格子
    に第１回目の入射をさせ、該第１の光束の該回折格子か
    らの反射回折光を第１反射手段により該回折格子に第２
    回目の入射をさせ、次いで該回折格子からの反射回折光
    を第２反射手段により該回折格子に第３回目の入射をさ
    せ、更に該回折格子からの反射回折光を該第１反射手段
    により該回折格子に第４回目の入射をさせて該第１の光
    束を４回回折させ、前記可干渉性光源からの第２の光束
    を回折格子に第１回目の入射をさせ、該第２の光束の該
    回折格子からの反射回折光を前記第１反射手段により該
    回折格子に第２回目の入射をさせ、次いで該回折格子か
    らの反射回折光を第３反射手段により該回折格子に第３
    回目の入射をさせ、更に該回折格子からの反射回折光を
    前記第１反射手段により該回折格子に第４回目の入射を
    させて該第２の光束を４回回折させ、前記第１の光束の
    ４回回折光と前記第２の光束の４回回折光とから干渉縞
    を形成し、該干渉縞の明暗の縞を計数することにより該
    回折格子の移動状態を検出したことを特徴とするエンコ
    ーダー。
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