JP2007248302A - 光電式インクリメンタル型エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】受光光量を減らすことなく、所望の高次高調波を削減し、低歪の検出を行って、高精度の測定を可能とする。
【解決手段】スケール１０上の格子パターン１２又はスケール１０上に生成されたモアレ縞をレンズ光学系２０により受光素子へ導くようにされた光電式インクリメンタル型エンコーダにおいて、位相格子４０による＋１次回折光と−１次回折光の到達点の差ｄｘが、除去したい高次高調波の波長λの半分となるように、位相格子ピッチＰ_Gと配設位置Ｌが決定された位相格子４０を設ける。
【選択図】図４

Description

本発明は、スケール上の格子パターン又はスケール上に生成されたモアレ縞を、レンズ光学系により受光素子へ導くようにされた光電式インクリメンタル型エンコーダに係り、特に、受光光量を減らすことなく、所望の高次高調波を削減することが可能な光電式インクリメンタル型エンコーダに関する。

図１に示す如く、スケール１０上の格子パターン１２や、スケール１０上に生成されたモアレ縞を、レンズ２２を含むレンズ光学系２０によって、受光素子、例えば受光素子がアレイ状に生成された受光素子アレイ３０へ導いて検出する方法が考えられている。図において、３２は、受光素子アレイ３０上の検出波形である。

しかしながら、スケール１０上のパターン１２が矩形形状であったり、又は、スケール１０上に生成されたモアレ縞に歪があると、図２に示す如く、受光素子アレイ３０上の検出波形３２も歪んでしまう。図２は、３次高調波が重量されている状態を例示したものである。

そこで、図３に示す如く、アパーチャ２４を設けてレンズ光学系２０の開口数ＮＡを小さくし、遮断空間周波数を下げて、伝達する像の高調波成分を除去することが考えられる。

しかしながら、アパーチャ２４によって光路を制限するために、受光光量が減ってしまい、受光信号のＳ／Ｎが低下する等の問題点を有する。特に、除く対象が長周期である場合は、アパーチャを狭くする必要があるため、光量が更に減ってしまう。

本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、受光光量を減らすことなく、所望の高次高調波を削減し、低歪の検出を行って、高精度の測定を可能とすることを課題とする。

本発明は、スケール上の格子パターン又はスケール上に生成されたモアレ縞を、レンズ光学系により受光素子へ導くようにされた光電式インクリメンタル型エンコーダにおいて、位相格子による＋１次回折光と−１次回折光の到達点の差が、除去したい高次高調波の波長の半分となるように、位相格子ピッチと配設位置が決定された位相格子を設けることにより、前記課題を解決したものである。

前記位相格子は、受光素子の前面に配設することができる。

更に、前記レンズ光学系を、レンズの焦点位置にアパーチャが配設されたテレセントリック光学系とし、透明板のレンズ側にアパーチャを形成し、同じ透明板の受光素子側に位相格子を形成するようにして、構成を簡略化することができる。

又、前記位相格子は、スケールの前面に配設することもできる。

本発明によれば、受光光量を減らすことなく、所望の高次高調波を削減することができ、低歪の検出を行って、高精度化が実現できる。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

本発明の第１実施形態は、図２に示した従来例と同様の構成において、図４に示す如く、受光素子アレイ３０の前面に位相格子４０を配設したものである。

ここで、前記位相格子４０のピッチＰ_Gと配設位置（図では受光素子アレイ３０表面からの距離Ｌ）は、位相格子４０による＋１次回折光と−１次回折光の到達点の差が、除去したい高次高調波の半分になるように設定する。

即ち、光路から次式が成立する。

ここで、θは、受光素子アレイ３０に対する回折光の入射角、ｄｘは、受光素子アレイ３０上の＋１次回折光と−１次回折光の到達点の差である。

又、回折条件から次式が成立する。

ここで、λは光の波長である。

上記（１）式及び（２）から次式が成立する。

（３）式を変形すると次式が得られる。

一方、高調波除去条件より、除去したい高調波の次数をｎとすると、次式が成立する。

ここで、Ｐ_Dは、受光素子アレイ３０上の検出波形３２のピッチである。

従って、（Ｐ_G／λ）^２ ＞＞１とすると、次式が近似的に成立する。

例えば、受光素子アレイ３０で検出する縞のピッチＰ_Dを１２０μｍ、位相格子４０のピッチＰ_Gを２０μｍ、光の波長λを８８０ｎｍ、除去したい高調波の次数ｎを３とすると、配設位置Ｌ＝０．２３ｍｍとなる。

このようにしてシフトされた高調波を含む波形が合成されると、３次高調波成分は位相が反転しているので、図５に示すように、３次高調波成分が相殺され除去される。

従って、受光光量を減らすことなく、所望の高調波を削減でき、歪の無い高精度な検出が可能となる。

図６は、第１実施形態の変形例である第２実施形態を示したものである。本実施形態においては、位相格子４０を、例えばガラス板でなる透明板４２の受光素子アレイ３０側に形成すると共に、アパーチャ４４を同じ透明板４２のレンズ２２側に形成し、該アパーチャ４４がレンズ２２の焦点位置に来るようにして、レンズ光学系２０をテレセントリック光学系としたものである。

本実施形態によれば、１つの透明板４２の表側と裏側にアパーチャ４４と位相格子４０を形成したので、構成が簡略であり、且つ、組み立て調整も容易である。

なお、前記実施形態においては、いずれも受光素子アレイ３０の前面に位相格子４０が配設されていたが、位相格子４０の配設位置はこれに限定されず、図７に示す第３実施形態のように、スケール１０の前面に位相格子４０を配設することも可能である。

本実施形態においても、（１）〜（４）式は、第１実施形態と同じであり、（５）式のＰ_Dが、次式に示す如く、格子パターン１２のピッチＰsとなる。

従って、スケール１０の格子パターン１２形成面から位相格子４０迄の距離Ｌは、次式で表される。

本実施形態においても、第１実施形態と同様に、受光素子３０上で縞がシフトするので、高調波を除去することができる。

なお、削減したい高調波の次数は、成分の大きな３次であることが好適であるが、３次に限定されない。

又、前記実施形態においては、いずれも、受光素子として格子と受光素子が一体化された受光素子アレイが用いられていたが、格子と受光素子は別体であっても構わない。

レンズ光学系を用いた光電式インクリメンタル型エンコーダの基本構成を示す光路図 図１の構成においてスケール上のパターンに歪がある場合の問題点を示す光路図 図２で示される問題点を解決するために光学系の開口数を小さくした例を示す光路図 本発明の第１実施形態の構成を示す光路図 第１実施形態において高調波が除去される状態を示す線図 本発明の第２実施形態の要部構成を示す斜視図 本発明の第３実施形態の要部構成を示す光路図

符号の説明

１０…スケール
１２…格子パターン
２０…レンズ光学系
２２…レンズ
３０…受光素子アレイ
４０…位相格子
４２…透明板
４４…アパーチャ

Claims (4)

1. スケール上の格子パターン又はスケール上に生成されたモアレ縞を、レンズ光学系により受光素子へ導くようにされた光電式インクリメンタル型エンコーダにおいて、
   位相格子による＋１次回折光と−１次回折光の到達点の差が、除去したい高次高調波の波長の半分となるように、位相格子ピッチと配設位置が決定された位相格子を設けたことを特徴とする光電式インクリメンタル型エンコーダ。
2. 前記位相格子を、受光素子の前面に配設したことを特徴とする請求項１に記載の光電式インクリメンタル型エンコーダ。
3. 前記レンズ光学系が、レンズの焦点位置にアパーチャが配設されたテレセントリック光学系とされ、透明板のレンズ側にアパーチャが形成され、同じ透明板の受光素子側に位相格子が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の光電式インクリメンタル型エンコーダ。
4. 前記位相格子を、スケールの前面に配設したことを特徴とする請求項１に記載の光電式インクリメンタル型エンコーダ。

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