JP6838954B2 - 光電式エンコーダ - Google Patents

Description

本件は、光電式エンコーダに関する。

スケールからの＋ｓ次回折光および−ｓ次回折光の光路を検出器内部のインデックス格子によって収束し、干渉信号を生成するエンコーダが開示されている。このようなエンコーダにおいて、±ｓ次回折光に対して±ｓ次回折光以外の不要回折光が空間的に混入すると、干渉縞のプロファイルが乱れ、測定誤差が生じる。そこで、検出器中で不要回折光を物理的に遮蔽する技術が開示されている（例えば特許文献１，２）。

特開平４−１８４２１８号公報 特開２００４−０６９７０２号公報

しかしながら、この技術では、不要回折光を遮蔽するために、スケールとインデックス格子との間隔を広げて信号回折光と不要回折光とを空間的に分離する必要がある。この場合、スケールとインデックス格子との間隔を広げた分、検出器が大型化するおそれがある。

１つの側面では、本発明は、大型化を抑制しつつ、±ｓ次回折光の干渉縞から不要回折光の影響を抑制することができる光電式エンコーダを提供することを目的とする。

１つの態様では、本発明に係る光電式エンコーダは、光を出射する光源と、前記光源からの光が入射され、前記光源からの光の光軸と交差する軸に沿って複数の格子が形成されたメインスケールと、前記メインスケールからの回折光が入射され、前記メインスケールの格子の長さ方向に中心軸を有して、前記回折光の光軸と垂直をなす平面において当該中心軸に対称に、当該中心軸に対して第１角度で傾斜して所定間隔で形成された複数の第１格子が形成された第１領域と、当該中心軸に対して前記第１角度と対称な第２角度で傾斜して所定間隔で形成された複数の第２格子が形成された第２領域とを備えるインデックス格子と、前記インデックス格子を透過した回折光を受光する受光素子と、を備え、前記第１領域に形成されている格子は前記第１格子のみであり、前記第２領域に形成されている格子は第２格子のみであることを特徴とする。

上記光電式エンコーダにおいて、前記メインスケールの複数の格子の配列方向は、前記光源から前記メインスケールに入射する光の光軸と直交し、前記中心軸は、前記光源から前記メインスケールに入射する光の光軸を通ってもよい。

上記光電式エンコーダは、前記受光素子は、前記インデックス格子を透過する±１次回折光が集光する箇所に配置され、前記受光素子のフォトダイオードは、前記インデックス格子を透過する±２次回折光が集光する箇所と０次回折光が集光する箇所との間隔よりも短くてもよい。

上記光電式エンコーダは、前記受光素子において、複数のフォトダイオードが前記メインスケールの複数の格子の配列方向と平行に配列されており、前記インデックス格子を透過する±１次回折光が集光する箇所における干渉縞のピッチをΛとした場合に、前記複数のフォトダイオードのピッチは、Λ、Λ／４または３Λ／４としてもよい。

大型化を抑制しつつ、±ｓ次回折光の干渉縞から不要回折光の影響を抑制することができる光電式エンコーダを提供することができる。

実施形態に係る光電式エンコーダの斜視図である。 図２（ａ）は、比較形態に係る光電式エンコーダの斜視図であり、（ｂ）は不要光の光強度が±１次回折光の１０％である場合の干渉縞の光強度を例示する図である。 インデックス格子の詳細を例示する図である。 （ａ）は実施形態に係る光電式エンコーダの斜視図であり、（ｂ）は±１次回折光が集光する箇所における干渉縞を例示する図である。 好ましい傾斜角度θについて説明するための図である。 受光素子を例示する図である。 受光素子を例示する図である。 受光素子を例示する図である。

以下、図面を参照しつつ、実施形態について説明する。

（実施形態）
図１は、実施形態に係る光電式エンコーダ１００の斜視図である。図１で例示するように、光電式エンコーダ１００は、コリメート光源１０、メインスケール２０、インデックス格子３０、および受光素子４０を備える。以下の説明において、メインスケール２０に形成された各格子２１の配列方向をＸ軸とする。Ｘ軸と直交し、コリメート光源１０からメインスケール２０に入射するコリメート光の光軸方向をＺ軸とする。Ｘ軸およびＺ軸と直交し、メインスケール２０の各格子２１が延びる方向をＹ軸とする。

コリメート光源１０は、コリメート光を出射する光源であれば特に限定されるものではない。例えば、コリメート光源１０は、発光ダイオード等の発光素子と、コリメートレンズ、リフレクタ等のコリメート光生成手段と、を備える。リフレクタは、例えば、部分放物面の反射面を備えるリフレクタである。

メインスケール２０は、Ｘ軸方向に沿った所定のスケール周期の格子２１を備えている。すなわち、メインスケール２０は、Ｘ軸方向に格子の配列方向を有する。したがって、メインスケール２０の測定軸は、Ｘ軸である。各格子２１は、Ｙ軸方向に延びている。すなわち、各格子２１は、Ｙ軸方向に長さ方向を有する。メインスケール２０は、コリメート光源１０、インデックス格子３０および受光素子４０に対して、Ｘ軸方向に相対的に移動可能となっている。

インデックス格子３０は、所定の周期の格子を備えている。受光素子４０には、受光領域４１が設けられている。受光領域４１においては、複数のフォトダイオード４２が所定の周期でＸ軸方向に並べて配置されている。例えば、受光素子４０は、フォトダイオードアレイである。インデックス格子３０は、メインスケール２０を透過する回折光を受光素子４０の受光領域４１に結像する。受光領域４１は、複数のフォトダイオード４２の出力を用いて、メインスケール２０の格子２１に応じた周期的な明暗を検出する。それにより、メインスケール２０の相対的な位置変動を検出することができる。具体的には、複数のフォトダイオード４２が検出した受光強度に基づいて、位置変動の量を求めることができる。

ここで、比較形態について説明する。図２（ａ）は、比較形態に係る光電式エンコーダ２００の斜視図である。光電式エンコーダ２００においては、インデックス格子３０の代わりにインデックス格子３０ａが配置されている。図２（ａ）で例示するように、インデックス格子３０ａは、Ｘ軸方向に沿った所定の周期の格子を備えている。すなわち、インデックス格子３０ａは、Ｘ軸方向に格子の配列方向を有する。インデックス格子３０ａの各格子は、Ｙ軸方向に延びている。したがって、インデックス格子３０ａの格子は、メインスケール２０の格子と平行に形成されている。インデックス格子３０ａの格子ピッチは、例えば、メインスケール２０の格子ピッチの１／２である。

この構成においては、信号回折光（±１次回折光）だけでなく、不要回折光（０次回折光、±２次回折光、±３次回折光、…）も受光素子４０において１点に集光する。この場合、干渉縞に強弱が現れることになる。すなわち、干渉縞に歪みが現れるようになる。例えば、図２（ｂ）では、不要光（０次回折光、±２次回折光、±３次回折光、…）の光強度が±１次回折光の１０％である場合の干渉縞の光強度が例示されている。図２（ｂ）において、横軸は受光素子４０の受光領域におけるＸ軸方向を表し、縦軸は受光素子４０の受光領域に入射する光強度を表す。このように、比較形態に係る光電式エンコーダ２００においては、高い測定精度が得られないおそれがある。

そこで、実施形態に係る光電式エンコーダ１００においては、中心軸に対して対称に傾斜する格子をインデックス格子３０に持たせることにより、±ｓ次回折光を空間的に分離する。以下、詳細について説明する。

図３は、インデックス格子３０の詳細を例示する図である。図３で例示するように、インデックス格子３０は、所定の平面において、中心軸ＣＬを中心軸として、対称に傾斜する複数の格子を備えている。中心軸ＣＬを基準に一方側（以下、第１領域３１）の各格子３３は同じ傾斜角度（θ）を有し、他方側（以下、第２領域３２）の各格子３４は同じ傾斜角度（−θ）を有している。第１領域３１および第２領域３２のいずれの領域においても、格子ピッチｐは同じである。

図４（ａ）で例示するように、インデックス格子３０は、中心軸ＣＬがＹ軸と平行になるように配置されている。また、インデックス格子３０は、格子３３，３４がメインスケール２０からの回折光の光軸と垂直をなす平面をなすように配置されている。Ｙ軸プラス側に進むにつれてＸ軸プラス側に進む格子の角度がプラスであり、Ｙ軸プラス側に進むにつれてＸ軸マイナス側に進む格子の角度がマイナスである。

第１領域３１の各格子３３がθの傾斜角度を有しているため、第１領域３１を透過する回折光の進行方向は、Ｙ軸方向プラス側に分離する。第２領域３２の各格子３４は−θの傾斜角度を有しているため、第２領域３２を透過する回折光の進行方向も、Ｙ軸プラス側に分離する。第１領域３１の各格子３３と第２領域３２の各格子３４とが中心軸ＣＬに対して対称に傾斜するため、同一箇所で集光する。各±ｓ次回折光は、同一軸上で集光するが、ｓの値が異なると当該同一軸上で離間することになる。本実施形態においては、受光素子４０は、±１次回折光が集光する箇所に配置される。受光素子４０の各フォトダイオード４２が当該同一軸上の±２次回折光が集光する箇所と０次回折光との間隔よりも短ければ、各フォトダイオードに対する不要回折光の入射を回避することができる。

図４（ｂ）に、±１次回折光が集光する箇所における干渉縞を例示する。不要回折光の入射が回避されていることから、干渉縞の強弱が抑えられている。すなわち、干渉縞の歪みが抑制されている。図４（ｂ）の干渉縞は、メインスケール２０の格子ピッチを４μｍとし、インデックス格子３０の格子ピッチを２μｍとし、θを１０度とした場合の干渉縞である。このように、理想的な正弦波状の干渉縞を得ることができる。

本実施形態によれば、メインスケール２０とインデックス格子３０との間隔を広げて信号回折光と不要回折光とを空間的に分離する必要がなくなるため、光電式エンコーダ１００の大型化を抑制することができる。また、不要回折光の影響を抑制することができる。すなわち、大型化を抑制しつつ、±ｓ次回折光の干渉縞から不要回折光の影響を抑制することができる。

続いて、好ましい傾斜角度θについて説明する。まず、図５で例示するように、メインスケール２０からの±１次回折角θ_１は、下記式（１）で表される。なお、λはコリメート光の波長であり、ｇはメインスケール２０の格子ピッチである。

インデックス格子３０からの±１次回折光を、メインスケール２０の回折光が成す平面に投影した場合の０次回折光の進行方向角度をθ_２とする。この場合、下記式（２）が成立する。なお、ｐはインデックス格子３０の格子ピッチであり、θはインデックス格子３０の各格子の中心軸ＣＬからの傾斜角度である。

±１次回折光が、それぞれ±θ_２の角度を成して受光素子４０に照射された場合に、受光素子４０上に発生する干渉縞の周期Λは、下記式（３）で表すことができる。

例えば、メインスケール２０の格子ピッチｇを４μｍとし、インデックス格子３０の格子ピッチｐを２μｍとし、傾斜角度θを１０度とすると、周期Λは１．９４μｍとなる。この場合において、周期Λの変動を設計値から±０．１％以内に抑える場合には、傾斜角度θは１０±０．１６度以内とすることが好ましい。

続いて、受光素子４０におけるフォトダイオード４２のピッチについて説明する。フォトダイオード４２のピッチｐは、周期Λとすることが好ましい。正弦波信号が得られるからである。なお、フォトダイオード４２のピッチｐとは、フォトダイオード４２の配列方向において、各フォトダイオード４２の中心間の距離のことである。

ただし、光電式エンコーダ１００においては、メインスケール３０の移動方向判別のために位相差を有する複数の正弦波信号を用いることが好ましい。そのため、例えば、図６で例示するように、変位方向に互いに位相がシフトした複数のフォトダイオードアレイを設け、９０度ずつ位相の異なる信号を得ることが好ましい。図６の例では、互いに離間している４つのフォトダイオードアレイにおいて、９０度ずつ位相が異なる信号を得ることができる。

または、図７で例示するように、フォトダイオード４２のピッチｐをΛ／４とし、４個のフォトダイオード４２を１セットとして、少なくとも1セットのフォトダイオード４２を配列してもよい。この場合、４個のフォトダイオード４２からそれぞれ、９０度ずつ位相の異なる信号が得られる。このような構成では、干渉縞の１周期の中に４個のフォトダイオードが集約されるため、光電式エンコーダ１００のコンパクト化を図ることができる。

または、図８で例示するように、フォトダイオード４２のピッチｐを３Λ／４とし、４個のフォトダイオード４２を１セットとし、少なくとも1セットのフォトダイオード４２を配列してもよい。この場合も、４個のフォトダイオード４２からそれぞれ、９０度ずつ位相の異なる信号が得られる。このような構成では、図７と比較してフォトダイオード４２のピッチが大きくなるが、受光素子４０の製造が容易となるという効果が得られる。

なお、実施形態ではメインスケール２０の格子の配列方向がコリメート光の光軸に対して直交しているが、交差していればよい。メインスケール２０の格子の配列方向がコリメート光の光軸に対して直交している場合には、インデックス格子３０の中心軸ＣＬは、コリメート光源１０からメインスケール２０に入射するコリメート光の光軸を通ることが好ましい。インデックス格子３０からの回折光の対称性が良好となるからである。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ コリメート光源
２０ メインスケール
３０ インデックス格子
３１ 第１領域
３２ 第２領域
３３，３４ 格子
４０ 受光素子
４１ 受光領域
４２ フォトダイオード
１００ 光電式エンコーダ

Claims (4)

1. 光を出射する光源と、
   前記光源からの光が入射され、前記光源からの光の光軸と交差する軸に沿って複数の格子が形成されたメインスケールと、
   前記メインスケールからの回折光が入射され、前記メインスケールの格子の長さ方向に中心軸を有して、前記回折光の光軸と垂直をなす平面において当該中心軸に対称に、当該中心軸に対して第１角度で傾斜して所定間隔で形成された複数の第１格子が形成された第１領域と、当該中心軸に対して前記第１角度と対称な第２角度で傾斜して所定間隔で形成された複数の第２格子が形成された第２領域とを備えるインデックス格子と、
   前記インデックス格子を透過した回折光を受光する受光素子と、を備え、
   前記第１領域に形成されている格子は前記第１格子のみであり、前記第２領域に形成されている格子は第２格子のみであることを特徴とする光電式エンコーダ。
2. 前記メインスケールの複数の格子の配列方向は、前記光源から前記メインスケールに入射する光の光軸と直交し、
   前記中心軸は、前記光源から前記メインスケールに入射する光の光軸を通ることを特徴とする請求項１記載の光電式エンコーダ。
3. 前記受光素子は、前記インデックス格子を透過する±１次回折光が集光する箇所に配置され、
   前記受光素子のフォトダイオードは、前記インデックス格子を透過する±２次回折光が集光する箇所と０次回折光が集光する箇所との間隔よりも短いことを特徴とする請求項１または２に記載の光電式エンコーダ。
4. 前記受光素子において、複数のフォトダイオードが前記メインスケールの複数の格子の配列方向と平行に配列されており、
   前記インデックス格子を透過する±１次回折光が集光する箇所における干渉縞のピッチをΛとした場合に、前記複数のフォトダイオードのピッチは、Λ、Λ／４または３Λ／４であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光電式エンコーダ。

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