JPH02231526A - エンコーダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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に関し，特に移動物体に取付けた回
折格子にレーザ光等の可干渉性光束を入射させ該回折格
子からの所定次数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
タリーエンコーダやリニアエンコーダ等のエンコーダに
関するものである． （従来の技術） 従来より移動物体の移動量や移動方向を高精度に、例え
ばサブミクロンの単位で測定することのできる測定器と
してエンコーダがあり、各方面で使用されている． 特にレーザー等の可干渉性光束を移動物体に設けた回折
格子に入射させ該回折格子から生ずる所定次数の回折光
を互いに干渉させ、該干渉縞の明暗を計数することによ
り該移動物体の移動量や移動方向等の移動状態を求めた
エンコーダーが良く知られている． 本出願人はこのようなエンコーダーを例えば特開昭６２
−１６３９２６号公報、特開昭６２−１６３９２４号公
報、そして特開昭６２−２００２２５号公報で提案して
いる． （発明が解決しようとする問題点） このようなエンコーダにおいて使用波長が可視領や赤外
領域である場合、測定精度を向上させる一方法として格
子ピッチの細かな回折格子を用いる方法がある． しかしながら格子ピッチの細かな回折格子を形成するの
は一般に大変困難であり、例えば電子線描画装置を用い
た場合、線幅を１μｍ以下にすると安定した線幅が得ら
れないという問題点があった． 又ホログラフィーを利用すれば線幅ｌμｍ以下の格子ピ
ッチが比較的容易に得られるが格子ピッチを精度良く形
成するのが難しいという問題点があった． 特ニロータリーエンコーダ等において円板上に放射上の
微細な回折格子を精度良く形成することは非常に難しい
という問題点があった．本発明は所定の格子ピッチを有
する回折格子を複数個積層した回折手段を利用すること
により回折格子の格子ピッチをあまり細かくしなくても
高い分解能が容易に得られ高精度な検出が可能なエンコ
ーダの提供を目的とする． （問題点を解決するための手段） 本発明に係るエンコーダは光束を移動物体に連結した回
折手段に入射させ、該回折手段からの所定次数の回折光
より干渉光を形成し、該干渉光の明暗を検出手段で検出
することにより、該移動物体の移動状態を検出する際、
該回折手段を所定の格子ピッチの回折格子を複数個積層
して構成したことを特徴としている． （実施例） 第１図（Ａ）は本発明をリニアエンコーダに適用したと
きの第１実施例の要゛部概略図である．同図において１
はレーザ、２はコリメーターレンズであり，レーザｌか
らの光束を平行光束にしている．３は偏光ビームスブリ
ッターでありコリメーターレンズ２からの平行光束をＰ
偏光とＳ偏光の２つの光束に分割している． ＋００は回折手段であり不図示の移動物体に連結されて
いる．回折手段１００は所定の格子ピッチの回折格子１
０２ａ．ｌ０２ｂを形成した複数の回折スケール板、同
図では２枚の回折スケール板＋０１ａ、ＩＯｌｂを積層
して構成されており、移動物体と共に例えば矢印の方向
に速度Ｖで移動している．本実施例では２つの回折スケ
ール仮＋０１ａ．ｌｏｌｂに形成した回折格子の格子ビ
ッチ４は等しいものを用いている． ４＋．４ｍは１／４波長板であり直線偏光を円偏光又は
その逆に変換している． ５．．５．は反射部材でありｌ／４波長板４＝．４ｔか
らの光束を元の光路に戻している． ６は１／４波長板であり、直線偏光を円偏光に変換して
いる．７はビームスブリッターであり入射光束を２つの
光束に分割している．８．．８．は偏光板、ｇ，．９ｇ
は受光素子である．本実施例ではレーザ１からの光束を
コリメーターレンズ２により略平行光束とし、偏光ビー
ムスブリッタ３によりＰ偏光を通過、Ｓ偏光を反射させ
て２つの光束に分割し、これらの各光束を所定の角度で
回折手段１００に入射させてレ葛る．Ｐ偏光のうち回折
格子１０２ａで＋１次の回折をし、回折格子１０２ｂで
＋１次の回折をした光束をｌ／４波長板４８を通過させ
て円偏光として反射部材５，で反射させて元の光路に戻
し再び１７４波長板４．を通過させて最初の直線偏光状
態とは偏光方位が９０度異なる直線偏光として、再度回
折格子１０２ｂで＋１次の回折、回折格子１０２ｂで＋
１次の回折をした（往復で全体として４回の＋１次回折
をしたことになる．）光束を偏光ビームスブリッタ−３
に入射させている．そして今度は前と偏光方位が９０度
異っている為に偏光ビームスブリッター３で反射させて
１７４波長仮６に導光している． 一方偏光ビームスブリッタ−３を反射し、回折手段１０
０に入射させたＳ偏光のうち回折格子１０２ａでー１次
の回折，回折格子１０２ｂで更にー１次の回折をした光
束を前述のＰ偏光の場合と同様にｌ／４波長扱４，、反
射部材５１を介し、元の光路に戻し、再度回折格子１０
２ｂ、１０２ａで各々−１次の回折を行なった後、最初
の直線偏光状態とは偏光方位が９０度異なる直線偏光に
変換させて今度は偏光ビームスブリツタ３を通過させて
ｌ／４波長板．６に導光している． そして１／４波長板６に導光した２光束は各々１次の回
折を４回行っているから回折格子の１ピッチ分の回折手
段ｌＯＯの移動に対して２冗×４ラジアンの波面の位相
がずれる．即ち＋１次の回折を４回行った光束は＋２π
×４＝＋８１となり８冗の位相が進む．一方、一！次の
回折を４回行った光束は−２πＸ４＝−８πとなり８π
の位相が遅れる．従って、２光束の位相差は回折手段１
００の移動ｌビッチ当り１６？Ｃとなる．同図において
は１／４波長板６に導光された２光束は互いに直交した
直線偏光であるので、このままでは干渉せず明暗信号が
得られない．そこで１／４波長板６を介し互いに逆回転
する円偏光にして重ね合わせ、２光束の位相差で直線偏
光方位が変わる直線偏光にしている． そして偏光板８＋．８ｍを介して、この重なった２光東
の干渉に基づく明暗信号を受光素子９−・９冨で検出し
てＬｌ旭る． 本実施例では２光束の位相差が１６７ｔになる間に８周
期の明暗信号が得られる． このように本実施例では検出手段からの出力信号を利用
して回折手段ｌ００の移動状態を検出している． 尚、本実施例において２枚の回折スケール板を用いる代
わりに１枚の回折スケール板１０１ａの表裏に第１図（
Ｂ）に示すように各々回折格子１０２ａ．ｌ０２ｂを形
成したものを用いても同様の効果が得られる． 本実施例では回折スケール板を２枚用いた場合を示した
が回折スケール板を多く用いればそれに応じて回折手段
＋００の１ピッチ当りの移動に対する２光束間の位相差
が増大するので検出精度が向」ニする． 第２図は第ｌ図の回折手段ｌ００として回折格子を５枚
積層して構成した場合の第２實施例の要部概略図である
． リニアエンコーダとしての測定原理は第１図の場合と同
様である．又第１図に示す要素と同一要素には同符番を
付している． 一般に回折格子をｎ枚重ねて第１図と同様な光？装置を
用いた場合、回折スケール板の移動に伴う２光束間の位
相のずれは、ｌビッチ当り８πＸ　２　Ｉ＋　−　１　
ラジアンとなり、回折格子の１ピッチ当り４　ｘ　２ｍ
　−　１　＝２　Ｍ　−　１周期の明暗信号が現われる
．例久ばｌビッチｌ２，８μｍの回折格子を５枚重ねる
と、１ビッチ１２．８μｍ当り２”’＝６４周期の明暗
信号が得られる．従って１周期当りの回折格子の移動置
は１２．８／６４＝０．０５μｍとなる．尚、回折回数
を増やすと一般に光量が低下してくる．この為には例え
ば回折格子の断面形状を矩形又は三角形等にした位相格
子又はホログラフィー格子にすれば所定次数の回折光を
効率よく得ることができるので好ましい． 第３図は本発明をロータリーエンコーダに適用したとき
の第３実施例の要部概略図である．同図において第１図
の要素と同一要素には同符番を付している． 図中３００は回折手段であり不図示の回転物体に連結さ
れており、円板上の周囲に所定の格子ピッチより成る回
折格子をその面上に形成した２つの回折スケール板３０
１ａ．３０ｌｂより成っている． 本実施例では回折スケールｆ＜　３　０　１　ａ、３０
ｌｂ上の回折格子の格子ピッチは等しいものを用いてい
る． ３３は２個の台形プリズム３３．．３３１を貼り合わせ
てなる光学部品、３４は光分割面であり光学部品３３の
貼合わせ面より成り、偏光ビームスプリツタと同機能の
光分割を行っている．３５及び３７は各々プリズム反射
鏡で光束を所定方向に反射させている． Ｍ　Ｉ．　Ｍ　虚は回折スケール板３０１ａの周囲に設
けた回折格子への光束の入射点を示す．本実施例では光
源ｌより放射される光束をコリメータレンズ２によって
平行光束とし，光学部品３３をなす台形プリズム３３．
の斜面で反射させた後、光分割面３４へ所定の角度で入
射するように指向する．光分割面３４に入射した光束は
略Ｉ・１の比率で反射光束と透過光束の２つの直線偏光
光束に分割される．尚、光源ｌの光束は光分割面３４の
直交偏波面に対し、所定の方向（通常４５′″）の直線
偏光に設定されている．分割された２光束は台形プリズ
ム３３１、３３１内で各々２度反射し、光学部品３３を
出射しプリズム反射ｆＪ１３５又は３７により回折スケ
ール仮３０１ａの所定の位ｍ　Ｍ　ｌ及びＭ．へ所定の
入射角で入射する．回折格子３０２ａで回折した透過回
折光のうち特定次数の回折光を、更に回折格子３０２ｂ
で回折させた後、特定次数の回折光を１７４波長板４ｌ
又は４，を介して反射千段５ｌ又は５８により反射させ
、同一光路を逆行させる．そして、回折格子３０２ｂ、
３０２ａで順次回折させた特定次数の回折光をプリズム
反射鏡３５、又は３７で反射させ同一光路を逆行させ、
光宇部品３３で内面反射を繰り返し，光分割而３４へ導
光している．ここでの光束は反射手段５１又は５倉で反
射される前後で２度１７４波長板を通過する為、偏光方
位は回折手段３００へ入射する前とは各々９０゜異なっ
ている．従って、光分割面３４で先に反射側であった光
束が今度は透過し、透過側であった光束が今度は反射し
て重なり合い干渉縞を形成し光学部品３３で内面反射し
てｌ／４波長板６へ入射される．１／４波長板６を通過
した光束は同偏光となる． そして第１図の第１実施例と同様にｌ／４波長仮６を通
過した光束は光分割″ａ７で２分割され各々偏光方位を
異ならせて配置した偏光板８又は８攻を介し直線偏光と
して受光素子９．，又は９ｔにて２光束による干渉編の
強度を受光し、偏光板８Ｉ及び８寡の方位に応じた位相
差をもった２相信号を得ている． 本実施例においては第１図の第１実施例と同様に被測定
回転物体が回折格子の格子ピッチの１ピッチ分だけ回転
するとｍ次の回折光の位相は８ｍπだけ変化する．同様
に−ｍ次の回折光の位相は−８ｍπだけ変化する．これ
により全体として受光素子９．．９．からは８ｍ個の正
弦波形が得られる．本実施例ではこのときの正弦波形を
検出することにより回折手段３００の回転遣を測定して
いる． 本実施例では光分割器７により光束を２分割し各々の光
束間に９０度の位相差をつけることにより回転物体の回
転方向も判別出来るようにしている． 本発明において回折手段に用いるｎ枚の回折スケール板
に設ける回折格子のとッチＰはすべて等しければ前記の
通り１ピッチｐｉ９２″１周期の周期信号がとり出され
るが，各回折格子のピッチを各々異なるものより構成し
てもよい．例えば２つの回折スケール板を用い光束が最
初に入射する回折スケール板１０１ａの回折格子１０２
ａのビウチをＰ＋，次に入射する回折スケール板１０ｌ
ｂの回折格子１０２ｂのピッチを２２とする回折手役の
移動量を又とすると．第１の回折格子１　０２ａによっ
て１次回折光は位相が２π×文／　ｐ　＋だけ変動（片
道の場合）する．第２の回折格子１０２ｂでは、更に、
２π×文／　Ｐ　２たけ変動（片道の場合）する．これ
を往復すれば各々２倍になるから合計４πχ文／　（　
１／ｐ＋　＋１　／　ｐ　ｓ　）だけ位相が変化する．
−１次回折光は第１の回折格子】０２ａによって−２π
Ｘ　ｌ　／　ｐ　＋たけ位相が変動し、ｔＪ４２の回折
格子１０２ｂで更に−２πＸ　ｌ　／　ｐ　ｔたけ位相
か変動するから，これらを往復すれば−４π×２／　（
　１／ｐ＋　＋　１／ｐｔ　）だけ位相か変化する．よ
って土ｌ次回折光同志の干ｔ！）信号は回折スケール板
（回折手段）の移動閂交に対し 周期の明暗信号が得られる． 例えばピッチｐ，＝４＃Ｌｍ．ｐ＊　−２ルｍの回折格
子を用いれば１周期当りの回折手段の移動量又は となり小数で表示できないピッチの周期信号を得ること
ができる． 一般に回折スケール板の枚数をｎ枚とし各回折格子のピ
ッチをＰ＋．Ｐオ．．．．ｐ．とすれば回折手段の移動
ｉ文に対し ，文（二。二や．，．や二） １’＋　　　　　　９ｍ　　　　　　　　　　　　Ｉ’
＋１周期の正弦岐状信号が得られる． かかる複数の回折スケール板を組合せた回折手段はガラ
ス板の両面に各種の格子ピッチの回折格子を形成したり
、又は格子ピッチが異なる複数の回折格子より成る回折
スケール板を組合せて一体にして得ることができる． また、本発明は光束が回折格子を複数回通過する間に各
々の回折格子で回折される際に生ずる位相ずれを累積さ
せて合計の位相ずれを多く得ることを原理とするから、
回折格子を複数枚通過させて得られた回折光のうち２種
の光（例えば±１次回折光）を干渉させて信号を得る光
学構成とすれば本発明の目的とするエンコーダを達成す
ることができる． 第４図〜第７図は各々本発明をリニアエンコーダに適用
しｈときの第４〜第７実施例の要部概略図である。

これらの各実施例において第１〜第３図に示す要素と同
一要素には同符番を付しており、又リニアエンコーダと
しての移動物体の検出方法は第１図の第１実施例と基本
的に同じである．第４図に示す第４実施例ではレーザ１
からの光束をコリメーターレンズ２，光学部品３３の光
分割而３４を利用して２つの光束に分割し１７４波長板
４，．４，を通過させて回折手段４００の回折スケール
板４０１ａの表裏に形成した回折格子４０２ａ、４０２
ｂに順次入射させている．そして回折千段４００で回折
された±１次の回折先が回折手段４００から垂直にかつ
重なり合って射出し、共通の反射部材５で反射し、元の
光路を戻り、再度回折格子４０２ｂ．４０２ａで回折し
た後１／４波長板４，．４．．光学部品３３を介し１７
４波長板６に導光している．そして第１図の実施例と同
様に光分割手段７で２光束に分割し、これらの干渉光を
各々偏光板８１．８ｍを介し受光素子９，．’ｌで受光
している．そして受光素子９＋．９麓からの出力信号を
用いて回折手段４００の移動攬を検出している． 第５図に示す第５実施例では第４図の実施例に比べて回
折手段５００を所定の格子ピッチの回折格子を有する５
つの回折スケール板５０１ａ〜５０１ｅを積層して構成
し、回折手段５００からの所定次数の２つの回折光を各
々専用の１７４波長板４１　．　４ｆｆｉと反射部材５
＋．５ｇを介して元の光路に戻している点が異なり、そ
の他の構成は同じである． 第６図に示す第６実施例では第１図の実施例において回
折手段の回折スケール板の表裏に形成した２つの回折格
子１０２ａ．ｌ０２ｂで回折した±１次の回折光束をプ
リズム型の光分割器６７のハーフミラー面６７ａを利用
して重ね合わせ、方の重なり合った光束は４５゜方位に
偏光面を持つ偏光板８８を介して干渉信号になり，受光
素子９・，に入射し、もう一方の重なり合った光束は１
／４波長板６によってその中の一方の光束の波面をｌ／
４λだけずらした後に４５゜方位に偏光面を持つ偏光板
８．を介して干渉信号になり受光素子９ｌに入射する． 本実施例では回折格子の１ピッチの移動に対して受光素
子で検出される２光束の位相差は８πとなる． 第７図はレーザｌからの光束をコリメーターレンズ２を
介し３つの回折スケール板１０１ａ、１０ｌｂ．１０１
ｃを積層した回折手段７００に垂直に入射させ、回折手
段７００の各回折格子で回折した±１次の回折光をその
まま取り出し，互いに偏光面が直交するように配置した
偏光板１０ａ．ｌｏｂを介した後光分割器７７のハーフ
ミラー面７７ａを利用して２光束を重ね合わして干渉光
を得ている． そして第６図の実施例と同様にして偏光仮８＋　．８１
　．１／４波長板６を介して受光素子９１．９ｍにより
干渉信号を検出している．（発明の効果） 本発明によれば而述の如く同一又は異った格子ピッチの
回折格子を複数個積層した回折手段を利用することによ
り、細かな格子ピッチの回折格子を用いなくても移動物
体の僅かな変位に対しても効果的に良好なる周期信号が
得られ、高い分解能が容易に得られるエンコーダを達成
することができる．

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）、第２図は本発明をリニアエンコーダに適
用したときの第１、第２実施例の要部概略図、第１図（
Ｂ）は第１図（Ａ）の一部分の変形例の説明図、第３図
は本発明をロータリーエンコーダに適用したときの第３
実施例の要部概略図，第４図〜第７図は各々本発明をリ
ニアエンコーダに適用したときの第４〜第７実施例の要
部概略図である．図中１はレーザ、２はコリメーターレ
ンズ，３は偏光ビームスブリッタ＋００．３００、４０
０．５００、７００は回折手段、４、４，．４．．６は
１／４波長板２５，５＋．５ｍは反射部材、７はビーム
スブリッタ−（光分割器）．８．．８．は偏光板、９＋
．９ｍは受光素子、である．

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）光束を移動物体に連結した回折手段に入射させ、
   該回折手段からの所定次数の回折光より干渉光を形成し
   、該干渉光の明暗を検出手段で検出することにより、該
   移動物体の移動状態を検出する際、該回折手段を所定の
   格子ピッチの回折格子を複数個積層したもので構成した
   ことを特徴とするエンコーダ。
2. （２）前記複数の回折格子は格子ピッチが互いに異なっ
   ていることを特徴とする請求項１記載のエンコーダ。
3. （３）互いに異つた格子ピッチより成る複数の回折格子
   を積層して構成した回折手段に光束を入射させ、該回折
   手段の複数の回折格子を介した際に得られる所定次数の
   回折光より干渉光を形成し、該干渉光の明暗の数を検出
   手段により検出することにより該回折手段に連結した移
   動物体の移動状態を検出したことを特徴とするエンコー
   ダ。
4. （４）前記回折手段は透明基板の表裏に各々回折格子を
   設けた回折スケール板を少なくとも１枚有していること
   を特徴とする請求項１又は請求項３記載のエンコーダ。