JP2667065B2 - 光学式エンコーダ - Google Patents
光学式エンコーダInfo
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- JP2667065B2 JP2667065B2 JP8618091A JP8618091A JP2667065B2 JP 2667065 B2 JP2667065 B2 JP 2667065B2 JP 8618091 A JP8618091 A JP 8618091A JP 8618091 A JP8618091 A JP 8618091A JP 2667065 B2 JP2667065 B2 JP 2667065B2
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- Japan
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- scale
- light
- optical encoder
- diffracted
- diffracted light
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、例えば旋盤、フライス
盤等の工作機械や半導体製造装置の位置計測に利用する
ことができる光学式エンコーダに関する。
盤等の工作機械や半導体製造装置の位置計測に利用する
ことができる光学式エンコーダに関する。
【０００２】
【従来の技術】図７は従来の光学式エンコーダの光学系
の一例を示す斜視構造図であり、光源である例えばＬＤ
（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）等の発光素子１１から発せ
られる可干渉性を有する測定光Ｌａがコリメータレンズ
１２を透過して平行光Ｌｂにされ、この平行光Ｌｂが光
を透過させる部分（以下、透過部という）及び光を透過
させない部分（以下、非透過部という）が所定の長さ
（以下、格子ピッチという）で繰返されている回折格子
部を有する第１スケール１３にて回折される。第１スケ
ール１３にて回折された回折光は回折格子部が所定の位
相差をもって複数（この例では４個）配置されている第
２スケール１４にてさらに回折され、この回折光Ｌｃが
光電変換素子１５に受光されて回折光強度に応じた電気
信号に変換されるようになっている。
の一例を示す斜視構造図であり、光源である例えばＬＤ
（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）等の発光素子１１から発せ
られる可干渉性を有する測定光Ｌａがコリメータレンズ
１２を透過して平行光Ｌｂにされ、この平行光Ｌｂが光
を透過させる部分（以下、透過部という）及び光を透過
させない部分（以下、非透過部という）が所定の長さ
（以下、格子ピッチという）で繰返されている回折格子
部を有する第１スケール１３にて回折される。第１スケ
ール１３にて回折された回折光は回折格子部が所定の位
相差をもって複数（この例では４個）配置されている第
２スケール１４にてさらに回折され、この回折光Ｌｃが
光電変換素子１５に受光されて回折光強度に応じた電気
信号に変換されるようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来の光学式
エンコーダの光学系１０においては、第２スケール１４
にて回折された回折光Ｌｃの回折光強度に応じた電気信
号により、第１スケール１３と第２スケール１４との間
の相対変位量を求めている。従って、第１スケール１３
と第２スケール１４との相対変位以外の要因により上記
回折光強度が変動すると、そのときの電気信号は不安定
な波形となってしまう。この相対変位以外の要因として
は、第２スケール１４内部でのレーザ光の反射、干渉に
よるレーザ光の透過量の不均一性等がある。ここで第２
スケール１４内部でのレーザ光の反射、干渉について説
明すると、図８の（ａ）に示すように第１スケール１３
を透過後に第２スケール１４に入射した平行光Ｌｂは、
そのまま透過して回折される光（以下、透過回折光とい
う）Ｌｄと内部反射を経て回折される光（以下、反射回
折光という）Ｌｒとに分かれる。尚、内部反射を複数回
繰返してから回折される光は微弱であるため無視でき
る。
エンコーダの光学系１０においては、第２スケール１４
にて回折された回折光Ｌｃの回折光強度に応じた電気信
号により、第１スケール１３と第２スケール１４との間
の相対変位量を求めている。従って、第１スケール１３
と第２スケール１４との相対変位以外の要因により上記
回折光強度が変動すると、そのときの電気信号は不安定
な波形となってしまう。この相対変位以外の要因として
は、第２スケール１４内部でのレーザ光の反射、干渉に
よるレーザ光の透過量の不均一性等がある。ここで第２
スケール１４内部でのレーザ光の反射、干渉について説
明すると、図８の（ａ）に示すように第１スケール１３
を透過後に第２スケール１４に入射した平行光Ｌｂは、
そのまま透過して回折される光（以下、透過回折光とい
う）Ｌｄと内部反射を経て回折される光（以下、反射回
折光という）Ｌｒとに分かれる。尚、内部反射を複数回
繰返してから回折される光は微弱であるため無視でき
る。
【０００４】第２スケール１４の厚さが上記回折光Ｌｄ
及びＬｒの波長λの１／２程度の製造誤差を含んでいる
とすると、各回折光Ｌｄ及びＬｒは互いに強め合う位相
（同図（ｂ））となったり、弱め合う位相（同図
（ｃ））となったりする。さらに、温度変化や湿度変化
によってスケール材料が伸縮すると厚みが変わって位相
の変化を発生させる。そのため、温度や湿度の変化によ
って第２スケール１４の実質的な透過率も変わってしま
う。このような回折光が光電変換素子１５で電気信号に
変換されると、図９に示すように実質的な透過率Ｅｒｄ
は変動するので、それに応じた電気信号Ｅ１も不安定と
なる。結局、このような電気信号Ｅ１により求まる位置
Ｐｏは誤差成分を含んだものとなってしまうという欠点
があった。本発明は上述のような事情から成されたもの
であり、本発明の目的は、スケール内部での反射・干渉
による回折光強度の変動を除き、安定した高精度の位置
検出を行なうことができる光学式エンコーダを提供する
ことにある。
及びＬｒの波長λの１／２程度の製造誤差を含んでいる
とすると、各回折光Ｌｄ及びＬｒは互いに強め合う位相
（同図（ｂ））となったり、弱め合う位相（同図
（ｃ））となったりする。さらに、温度変化や湿度変化
によってスケール材料が伸縮すると厚みが変わって位相
の変化を発生させる。そのため、温度や湿度の変化によ
って第２スケール１４の実質的な透過率も変わってしま
う。このような回折光が光電変換素子１５で電気信号に
変換されると、図９に示すように実質的な透過率Ｅｒｄ
は変動するので、それに応じた電気信号Ｅ１も不安定と
なる。結局、このような電気信号Ｅ１により求まる位置
Ｐｏは誤差成分を含んだものとなってしまうという欠点
があった。本発明は上述のような事情から成されたもの
であり、本発明の目的は、スケール内部での反射・干渉
による回折光強度の変動を除き、安定した高精度の位置
検出を行なうことができる光学式エンコーダを提供する
ことにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、可干渉性を有
する平行光を発する光源装置と、前記平行光を回折する
第１スケールと、この第１スケールに対して相対変位
し、前記第１スケールにて回折された回折光を回折する
第２スケールと、この第２スケールにて回折された回折
光を受光して電気信号に変換する光電変換手段とを備
え、前記電気信号の変化により前記相対変位後の位置を
検出する光学式エンコーダに関するものであり、本発明
の上記目的は、前記第２スケールの厚み方向の断面形状
をくさび状に形成することによって達成される。
する平行光を発する光源装置と、前記平行光を回折する
第１スケールと、この第１スケールに対して相対変位
し、前記第１スケールにて回折された回折光を回折する
第２スケールと、この第２スケールにて回折された回折
光を受光して電気信号に変換する光電変換手段とを備
え、前記電気信号の変化により前記相対変位後の位置を
検出する光学式エンコーダに関するものであり、本発明
の上記目的は、前記第２スケールの厚み方向の断面形状
をくさび状に形成することによって達成される。
【０００６】
【作用】本発明にあっては、第２スケールの面が傾斜し
ているので、反射回折光を透過回折光とは別方向に放射
させることが可能となり、反射回折光と透過回折光の相
互干渉を防止することができるので、高精度の位置検出
を行なうことができる。
ているので、反射回折光を透過回折光とは別方向に放射
させることが可能となり、反射回折光と透過回折光の相
互干渉を防止することができるので、高精度の位置検出
を行なうことができる。
【０００７】
【実施例】図１は本発明の光学式エンコーダの光学系の
第１の例を図７に対応させて示す斜視構造図であり、同
一構成箇所は同符号を付して説明を省略する。この光学
系１００では、第２スケール１１４の厚み方向の断面形
状がくさび状に成っており、図２に示すように第１スケ
ール１３に入射した平行光Ｌｂはａ面及びｂ面をそのま
ま透過し、第２スケール１１４に入射してｃ面をそのま
ま透過し、ｄ面で屈折してから透過回折光Ｌｃとして出
射する。一方、ｄ面とｃ面で反射された光は再びｄ面で
屈折してから反射回折光Ｌｒｃとして出射する。そし
て、透過回折光Ｌｃは光電変換素子１５に受光されて第
１スケール１３の変位に相当した電気信号に変換され、
反射回折光Ｌｒｃは光電変換素子１５には受光されずに
系外に放射される。この実施例によれば、変位信号に変
換される透過回折光Ｌｃと、この透過回折光Ｌｃと干渉
を起こして回折光強度の変動の原因となる反射回折光Ｌ
ｒｃを第２スケール１１４で分離することができるため
安定した変位信号を得ることができる。
第１の例を図７に対応させて示す斜視構造図であり、同
一構成箇所は同符号を付して説明を省略する。この光学
系１００では、第２スケール１１４の厚み方向の断面形
状がくさび状に成っており、図２に示すように第１スケ
ール１３に入射した平行光Ｌｂはａ面及びｂ面をそのま
ま透過し、第２スケール１１４に入射してｃ面をそのま
ま透過し、ｄ面で屈折してから透過回折光Ｌｃとして出
射する。一方、ｄ面とｃ面で反射された光は再びｄ面で
屈折してから反射回折光Ｌｒｃとして出射する。そし
て、透過回折光Ｌｃは光電変換素子１５に受光されて第
１スケール１３の変位に相当した電気信号に変換され、
反射回折光Ｌｒｃは光電変換素子１５には受光されずに
系外に放射される。この実施例によれば、変位信号に変
換される透過回折光Ｌｃと、この透過回折光Ｌｃと干渉
を起こして回折光強度の変動の原因となる反射回折光Ｌ
ｒｃを第２スケール１１４で分離することができるため
安定した変位信号を得ることができる。
【０００８】図３は本発明の光学式エンコーダの光学系
の第２の例を図１に対応させて示す斜視構造図であり、
同一構成箇所は同符号を付して説明を省略する。この光
学系２００では、第２スケール２１４が第１の例と同様
に断面形状がくさび状に成っていると共に第１スケール
２１３の厚み方向の断面形状もくさび状と成っている。
そして、これら２つのスケール２１３、２１４はくさび
角が等しく、かつ、断面形状が回転対称となるように設
置されている。そして、図４に示すように第１スケール
２１３に入射した平行光Ｌｂはａ面及びｂ面で屈折し、
所定の角度で第２スケール２１４に入射してｃ面及びｄ
面でも屈折してから透過回折光Ｌｃとして出射する。第
１スケール２１３と第２スケール２１４のくさび角が等
しいので各スケール２１３、２１４での屈折角が打消し
合い、結局、第１スケール２１３へ入射する平行光Ｌｂ
と第２スケール２１４から出射する透過回折光Ｌｃは平
行になる。一方、ｄ面とｃ面で反射された光は再びｄ面
で屈折してから反射回折光Ｌｒｃとして出射する。そし
て、透過回折光Ｌｃは光電変換素子１５に受光されて第
１スケール２１３の変位に相当した電気信号に変換さ
れ、反射回折光Ｌｒｃは光電変換素子１５には受光され
ずに系外に放射される。この実施例によれば、変位信号
に変換される透過回折光Ｌｃと、この透過回折光Ｌｃと
干渉を起こして回折光強度の変動の原因となる反射回折
光Ｌｒｃを第２スケール２１４で分離することができる
ため安定した変位信号を得ることができる。さらには、
２枚のスケール２１３、２１４を透過しても光軸の方向
が変化しないので特に受光系の設計や製作が容易にな
る。
の第２の例を図１に対応させて示す斜視構造図であり、
同一構成箇所は同符号を付して説明を省略する。この光
学系２００では、第２スケール２１４が第１の例と同様
に断面形状がくさび状に成っていると共に第１スケール
２１３の厚み方向の断面形状もくさび状と成っている。
そして、これら２つのスケール２１３、２１４はくさび
角が等しく、かつ、断面形状が回転対称となるように設
置されている。そして、図４に示すように第１スケール
２１３に入射した平行光Ｌｂはａ面及びｂ面で屈折し、
所定の角度で第２スケール２１４に入射してｃ面及びｄ
面でも屈折してから透過回折光Ｌｃとして出射する。第
１スケール２１３と第２スケール２１４のくさび角が等
しいので各スケール２１３、２１４での屈折角が打消し
合い、結局、第１スケール２１３へ入射する平行光Ｌｂ
と第２スケール２１４から出射する透過回折光Ｌｃは平
行になる。一方、ｄ面とｃ面で反射された光は再びｄ面
で屈折してから反射回折光Ｌｒｃとして出射する。そし
て、透過回折光Ｌｃは光電変換素子１５に受光されて第
１スケール２１３の変位に相当した電気信号に変換さ
れ、反射回折光Ｌｒｃは光電変換素子１５には受光され
ずに系外に放射される。この実施例によれば、変位信号
に変換される透過回折光Ｌｃと、この透過回折光Ｌｃと
干渉を起こして回折光強度の変動の原因となる反射回折
光Ｌｒｃを第２スケール２１４で分離することができる
ため安定した変位信号を得ることができる。さらには、
２枚のスケール２１３、２１４を透過しても光軸の方向
が変化しないので特に受光系の設計や製作が容易にな
る。
【０００９】図５は本発明の光学式エンコーダの光学系
の第３の例を図３に対応させて示す斜視構造図であり、
同一構成箇所は同符号を付して説明を省略する。この光
学系３００は、平均化回折モアレ型として提案されてい
る光学系であり、第２の例と同様に第１スケール３１３
と第２スケール３１４の厚み方向の断面形状がくさび状
と成っているが、第２スケール３１４の格子が施された
面ｃが第１スケール３１３の面ａの傾斜角と同角度で傾
斜している点が第２の例と異なる。この傾斜角は第１ス
ケール３１３の格子面ｂとの間隙Ｇ１及びＧ２の差が平
均化回折モアレ型の効果を得るのに適したものとなるよ
うに決定される。そして、図６に示すように第１スケー
ル３１３に入射した平行光Ｌｂはａ面及びｂ面で屈折
し、所定の角度で第２スケール３１４に入射してｃ面及
びｄ面でも屈折してから透過回折光Ｌｃとして出射す
る。このとき透過回折光Ｌｃは、第２スケール３１４の
格子部での回折によって格子線に垂直な平面内で複数の
回折光に分かれるが、高さ方向について見れば、第１ス
ケール３１３と第２スケール３１４のくさび角が等しい
ので各スケール３１３、３１４での屈折角が打消し合
い、結局、第１スケール３１３へ入射する平行光Ｌｂと
第２スケール３１４から出射する透過回折光Ｌｃは平行
になる。一方、ｃ面で屈折した光はｄ面で屈折してから
反射回折光Ｌｒｃとして出射する。そして、複数の透過
回折光Ｌｃは集光レンズ３１６でそれぞれが集光され、
これらのうち±２次の透過回折光＋Ｌｃ、−Ｌｃが光電
変換素子３１５に受光されて第１スケール３１３の変位
に相当した電気信号に変換され、反射回折光Ｌｒｃは光
電変換素子３１５には受光されずに系外に放射される。
この実施例によれば、前述した平均化回折モアレ型の効
果を得るのと同時に、変位信号に変換される透過回折光
Ｌｃと、この透過回折光Ｌｃと干渉を起こして回折光強
度の変動の原因となる反射回折光Ｌｒｃを第２スケール
３１４で分離することができるため安定した変位信号を
得ることができる。さらには、２枚のスケール３１３、
３１４を透過しても光軸の方向が変化しないので特に受
光系の設計や製作が容易になる。また、平均化回折モア
レを実現するための傾斜角と干渉光を分離するための傾
斜角が等しくなっているため、第２スケール３１４を光
学系の構造体に設置する面ｄが光軸と垂直になり、構造
体の設計製作が容易になる。
の第３の例を図３に対応させて示す斜視構造図であり、
同一構成箇所は同符号を付して説明を省略する。この光
学系３００は、平均化回折モアレ型として提案されてい
る光学系であり、第２の例と同様に第１スケール３１３
と第２スケール３１４の厚み方向の断面形状がくさび状
と成っているが、第２スケール３１４の格子が施された
面ｃが第１スケール３１３の面ａの傾斜角と同角度で傾
斜している点が第２の例と異なる。この傾斜角は第１ス
ケール３１３の格子面ｂとの間隙Ｇ１及びＧ２の差が平
均化回折モアレ型の効果を得るのに適したものとなるよ
うに決定される。そして、図６に示すように第１スケー
ル３１３に入射した平行光Ｌｂはａ面及びｂ面で屈折
し、所定の角度で第２スケール３１４に入射してｃ面及
びｄ面でも屈折してから透過回折光Ｌｃとして出射す
る。このとき透過回折光Ｌｃは、第２スケール３１４の
格子部での回折によって格子線に垂直な平面内で複数の
回折光に分かれるが、高さ方向について見れば、第１ス
ケール３１３と第２スケール３１４のくさび角が等しい
ので各スケール３１３、３１４での屈折角が打消し合
い、結局、第１スケール３１３へ入射する平行光Ｌｂと
第２スケール３１４から出射する透過回折光Ｌｃは平行
になる。一方、ｃ面で屈折した光はｄ面で屈折してから
反射回折光Ｌｒｃとして出射する。そして、複数の透過
回折光Ｌｃは集光レンズ３１６でそれぞれが集光され、
これらのうち±２次の透過回折光＋Ｌｃ、−Ｌｃが光電
変換素子３１５に受光されて第１スケール３１３の変位
に相当した電気信号に変換され、反射回折光Ｌｒｃは光
電変換素子３１５には受光されずに系外に放射される。
この実施例によれば、前述した平均化回折モアレ型の効
果を得るのと同時に、変位信号に変換される透過回折光
Ｌｃと、この透過回折光Ｌｃと干渉を起こして回折光強
度の変動の原因となる反射回折光Ｌｒｃを第２スケール
３１４で分離することができるため安定した変位信号を
得ることができる。さらには、２枚のスケール３１３、
３１４を透過しても光軸の方向が変化しないので特に受
光系の設計や製作が容易になる。また、平均化回折モア
レを実現するための傾斜角と干渉光を分離するための傾
斜角が等しくなっているため、第２スケール３１４を光
学系の構造体に設置する面ｄが光軸と垂直になり、構造
体の設計製作が容易になる。
【００１０】
【発明の効果】以上のように本発明の光学式エンコーダ
によれば、常に安定した高精度の位置検出を行なうこと
ができるので、この光学式エンコーダを例えば工作機械
に適用することにより高精度の加工を常時安定して行な
うことが可能となる。
によれば、常に安定した高精度の位置検出を行なうこと
ができるので、この光学式エンコーダを例えば工作機械
に適用することにより高精度の加工を常時安定して行な
うことが可能となる。
【図１】本発明の光学式エンコーダの光学系の第１の例
を示す斜視構造図である。
を示す斜視構造図である。
【図２】図１に示す本発明の光学式エンコーダの光学系
を構成するスケールにおける光路を示す図である。
を構成するスケールにおける光路を示す図である。
【図３】本発明の光学式エンコーダの光学系の第２の例
を示す斜視構造図である。
を示す斜視構造図である。
【図４】図３に示す本発明の光学式エンコーダの光学系
を構成するスケールにおける光路を示す図である。
を構成するスケールにおける光路を示す図である。
【図５】本発明の光学式エンコーダの光学系の第３の例
を示す斜視構造図である。
を示す斜視構造図である。
【図６】図５に示す本発明の光学式エンコーダの光学系
を構成するスケールにおける光路を示す図である。
を構成するスケールにおける光路を示す図である。
【図７】従来の光学式エンコーダの光学系の一例を示す
斜視構造図である。
斜視構造図である。
【図８】従来の光学式エンコーダの光学系を構成するス
ケールにおける光路を示す図である。
ケールにおける光路を示す図である。
【図９】従来の光学式エンコーダにより得られる電気信
号の波形図である。
号の波形図である。
１００、２００、３００ 光学式エンコーダの光学系 １１ 発光素子 １２ コリメータレンズ １３、２１３、３１３ 第１スケール １１４、２１４、３１４ 第２スケール １５、３１５ 光電変換素子 ３１６ 集光レンズ
Claims (4)
- 【請求項１】 可干渉性を有する平行光を発する光源装
置と、前記平行光を回折する第１スケールと、この第１
スケールに対して相対変位し、前記第１スケールにて回
折された回折光を回折する第２スケールと、この第２ス
ケールにて回折された回折光を受光して電気信号に変換
する光電変換手段とを備え、前記電気信号の変化により
前記相対変位後の位置を検出する光学式エンコーダにお
いて、前記第２スケールの厚み方向の断面形状をくさび
状に形成したことを特徴とする光学式エンコーダ。 - 【請求項２】 前記第１スケールの厚み方向の断面形状
をくさび状に形成した請求項１に記載の光学式エンコー
ダ。 - 【請求項３】 前記第１スケールのくさび角と前記第２
スケールのくさび角を等しく形成した請求項２に記載の
光学式エンコーダ。 - 【請求項４】 前記第１スケールの格子面と前記第２ス
ケールの格子面を相対的に傾けることによって２つの格
子面間の間隙光路長を格子の有効対向面積にわたって変
化させ、かつ前記第２スケールの格子面の傾斜角と前記
第１スケールの格子が施されていない面の傾斜角とを等
しく形成した請求項３に記載の光学式エンコーダ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8618091A JP2667065B2 (ja) | 1991-03-26 | 1991-03-26 | 光学式エンコーダ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8618091A JP2667065B2 (ja) | 1991-03-26 | 1991-03-26 | 光学式エンコーダ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04296621A JPH04296621A (ja) | 1992-10-21 |
| JP2667065B2 true JP2667065B2 (ja) | 1997-10-22 |
Family
ID=13879569
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8618091A Expired - Fee Related JP2667065B2 (ja) | 1991-03-26 | 1991-03-26 | 光学式エンコーダ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2667065B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110308553B (zh) * | 2019-07-29 | 2021-03-02 | 天津大学 | 基于微透镜阵列进行视场切换的中红外成像光学*** |
-
1991
- 1991-03-26 JP JP8618091A patent/JP2667065B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04296621A (ja) | 1992-10-21 |
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