JPS5999219A - 回折格子を用いたエンコ−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】 本発明は、相対的な移動量を測定する光電式のエンコー
ダ、特に回折格子を用いたエンコーダに関する。

第１図は透過型の回折格子と反射型の回折格子とを組合
わせた反射型エンコーダの基本的な光学系であって、光
源１からの射出光はコリメータレンズ２によりほぼ平行
光になり、半透鏡５を透過した後、透過型の回折格子愚
に入射する。回折格子乙により異なった次数に回折され
た回折光は、反射型の回折格子４により更に回折される
。回折格子４により回折された回折光は、再び透過型の
回折格子乙により回折され、反透鏡５により反射され、
集光レンズ６によって光電変換素子７上に集光される。

第２図に示した如く、透過型の回折格子３による回折光
のうち、任意に選択した２つの回折光の次数をｍｌｏｌ
ｍ１１とし、平射型の回折格子４で上記次数ｍ　１０　
、　ｍ　１１の回折光が回折された後、透過型の回折格
子６によりさらに回折された光のうち、同方向に回折さ
れて測定に利用される回折光の次数をｍ　２０　、　ｍ
　２１とすれば、次数ｍ２（１の回折光と次数ｍ　２１
の回折光とが光電変換素子７上で干渉する。回折格子４
に対して回折格子３が移動することにより光電変換素子
７にて得られる信号■（ｘ）は、 となる。

（ｊｊ　シ、上式において、Ａ、Ｆｌは定数、ｄは格子
定数、Ｘは透過型の回折格子乙の移動量、ψは位相項で
あり、以下（（ｍ　＋１＋ｍ２１）　−ｆ＋１ｏ−）ｍ
２ｏ）　）＝／とする。

第２図は１ｍ　１＋　＝ｍ　２１　＝　１λｍ　１０＝
＝　ｍ　２０　＝＝　Ｑの場合を示したもので、この場
合にはｌ＝２となり（１）式は ｘ Ｉ　（ｘ）＝　Ａ　＋　Ｂ　ｓｉｎ　（２π’ｄ　　＋
ψ）となる。

ここで、ｄ−２μｍとすれば Ｔ　（、ｚ：）＝Ａ　＋　Ｂｓ１ｎ　（２π・ｘ＋ψ）
−’・（２）となる。すなわち、（２）式によれば、透
過型の回折格子３が１μｍ移動するごとに周期的に変化
する正弦波状信号が光電変換素子７より得られることが
わかる。

一般的には、透過型の回折格子３の移動量を方向も含め
て高精度で測定するために、反則型の回折格子４を２個
又は４個互いに得られる信号の位相項ψがフずれるよう
に配置すると共に、分りＩＩＩした各々の回折格子４に
対応せしめて光電変換素子を配設している。その結果、
各々の回折格子に対応して配設された光電変換素子から
得られる信号は、 ｘ Ｉ　１　＝Ａ＋Ｒ５１ｎ　（２π’丁十ψ）Ｉ　２＝Ａ
＋ＢＣＯ３（２π・−”＋　ψ）ｘ Ｔ　５　＝Ａ−Ｒ５１ｎ　（２π”ｄ＋ψ）゛ノＸ Ｉ　　ａ　＝Ａ−−Ｈ＋・Ｏ８（９π　・丁子ψ）とな
り、これらの信号を適当な回路を通ずことによって信号
Ｉ、−Ｉ３、Ｉ２−Ｉ４を求めれば２３： Ｉ　１−ｆ　５＝２Ｂｓｉｎ　（２”　・丁＋９’）ｘ Ｉ２−Ｉ４＝２ＢＣＯ３（２π・丁＋９’）となる。

すなわち、信号１１−Ｉ、、■２−Ｉ４を求めれば、定
％Ａを除去することができると共に、位相が７異なった
信号が得られるので、この２つの信号ＴＩ−Ｉ！、Ｉ２
　　Ｉ４を適当な回路に通すことにより回折格子３の移
動量が高精度に測定できることになる。これら信号処理
の過程は、回折格子以外の光を式エンコーダと共通であ
る。

しかしながら以上は、多くの回折光のうち移動量の測定
に必要な次数の回折光のみを取り出した説明であるが、
実際には所望の次数以外の次数の回折光が光重、変換素
子に入射するので、光電変換素子の出力信号はｌの異な
ったＩ　（、りが重畳する結果、きれいな正弦波形とは
ならない。すなわち、第６図において、第６図（ａ）は
所望の次数の回折光のみによって得られる光電変、換素
子の出力信号、第ろ図（ｂ）は所望の次数の回折光より
得られる■（ｘ）にｌの小さいＩ　（ｚ）を重畳した場
合の光電変換素子の出力信号、第３図（Ｃ）は所望の次
数の回折光より得られるＩ　（、ｒ）にｌの大きいＩ　
（ａ：）を重畳した場合の光電変換素子の出力信号であ
る。信号の分割によってより細かな移動量を測定しよう
とする場合、第３図（ｂ）、（Ｃ）の如く正弦波形から
掛は離れた信号は特に誤差の原因になると共に、分割回
路が複雑になるという欠点がある。

そこで本発明の目的は、回折格子を用いたエンコーダに
おいて、正弦波状の信号を得ることにある。

回折格子への入射角をα、回折角をβとすると次式が成
立する。

ｄ　（ｓｉｎ　ａ　＋　ｓｉｎβ）＝ｍλ−・−−−−
−−−（７＋＞但し、ｄ；格子定数（格子の間隔） λ；光の波長 ｍ；回折の次数（整数） いま、第４図に示す如く、回折格子３への入射角をαと
すると共に、１次の回折光の回折角βをαと等しくなる
ようにし、２次の回折光の回折角が９０度、すなわち回
折限界となる条件を求めると、（３）式は ｄ　　（ｓｉｎａ＋５ｉｎａ）　＝λ・・・・・・・・
・（４）：＋　（ｓｉｎα＋ｑｉｎ９ｎ’　）＝２λ町
・・・・・■となる。　そこで、（４）式、（５）式が
ら８・。・−ユ　λ−λ・・・・・・・・・（６）３ゝ
ｄ３ ることからもわがるように、−１次の回折光の場合にお
いても回折角βは−９（１°″ｌあり、回折１促界を与
える。従って上述の条件（６）、すなわちｓｉｎα＝÷
、÷＝薫によって、回折格子による回折光は０次と１次
以外生じないことになる。従って、上述の回折角βが入
射角αと等しくなるようにしだ場合に得られる条件（６
）は最も厳しい条件であるがら、÷≧÷であれば適当な
入射角αを選択することによって回折格子の回折光を０
次と１次のみと成すことができる。

一方、１次の回折光が回折限界になる場合を考λ １〈丁〈２ λ　　２ となる。従って、上で求めた了≧１なる条件と合わせて が求まる。

一方、式（３）より 、　　ｍλ Ｓｌｎβ＝　７−５ｉｌｌα・・・・・・・・・（８）
であり、ｍ＝２のときにはｓｉｎβ≧１　、ｍ＝−１の
ときにはｓｉｎβ≦−１、が２次と一１次の回折光の生
じない条件であるから、これらを（８）式に代入し、λ
　。

一ゴーＳｌｎα≦−１ より λ　　　　２λ １−７≦ｓｉｎα≦１−１・・・・・・・・・（９）が
ｓｉｎαの箭囲として求まる。

λ 丁により（９）式を満足する範囲内のｓｉｎαとなる適
当な入射角αを定めれば、回折格子がら０次と１次以外
の回折光が生じないように成すことができる。

それ故、第１図の光学系において、例えば光源１の射出
光の波長を０．６６７μｍＸ透過型の回折格子３の格子
定数ｄを１μｍ１人射角αを１９４７度生ず６回折光け
０次と１次のみである。しかしながら、このような構成
では透過型の回折格子３の表面にて生じた回折光を除去
することができない。

そこで、透過型の回折格子３の表面での回折光をも除去
した第１実施例を第５図、第６図に示す。

第５図の光学系において第１図に対応する部材には同一
符号を付す。光源１の射出光の波長を０．６６７μｍＳ
７渦型の回折格子６の格子定数ｄを１μｍ１人射角αは
１９４７度である。反射格子４は、第６図に示した如く
、８つの格子Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄ。

Ｅ、Ｆ’、Ｇに分割され、格子Ａを基準にして格子子Ｃ
とＤ１格子ＥとＦ１格子ＧとＨが組を成し、各組が各々
分割格子を構成している。すなわち、各組に対応して１
つの光電変換素子７ａｓ７ｂｓ７ｃ、７ｄが設けられて
いる。集光レンズ６によ（９） って、格子ＡとＢからの回折光は光電変換索子７ａに、
格子ＣとＤからの回折光は光電変換素子７ｂに、格子Ｅ
とＦからの回折光は光電変換素子７ｃに、そして格子Ｇ
とＨからの回折光は光電変換素子７ｄに入射する。光電
変換素子７ａＮ７ｈ％７ＣＮ７ｄを有する光電変換器７
０と集光レンズ６との間にある集光レンズ６の後側焦点
位置には、空間フィルタとしてのピンホール板８が配設
されており、光軸及びその付近の光のみ透過し、それ以
外の不必要な光が光電変換器７０に入射することを防い
でいる。

このような構成であるから、この光学系では前ので透過
型の回折格子３にて透過する回折光は０次と１次のみで
ある。すなわち、光源１がらの射出光はコリメータレン
ズ２にて平行光になり、半透鏡５を透過した後、透過型
の回折格子乙に入射する。透過型の回折格子乙の透過に
よる回折光は上述の如く０次と１次の回折光のみであり
、この回折光が反射型の回折格子４に入射して各々回折
（１０） される。反射型の回折格子４にて回折された光は再び透
過型の回折格子３に入射するが、透過型の回折格子乙の
透過による回折光は上述の如く０次と１次の回折光のみ
である。一方、透過型の回折格子６の表面反射による回
折光が生ずる。しかしながら、ピンホール板８のピンホ
ールの大きさと反透鏡、５の傾きとを調節することによ
って透過型の回折格子乙の表面反射による回折光のうち
、検出信号に影響を与えるのは１次の回折光のみになる
ように構成しである。従って、光電変換器７０へ入射す
る回折光は、透過型の回折格子乙の表面反射により回折
された１次の回折光Ｐ１と、透過型の回折格子３の透過
による０次の回折光が反射型の回折格子４により反射さ
れ（反射の一１次）、再び透過型の回折格子乙の透過に
よる０次の回折光Ｐ２　　（この回折光Ｐ２は透過型の
回折格子３での１次の回折回数が零である）と、透過型
の回折格子乙の透過による１次の回折光が反射型の回折
格子４により反射され（反射の一１次）、再び透過型の
回折格子３の透過により回折された１次の（１１） 回折光Ｐ３と、透過型の回折格子６の透過による０次の
回折光が反射型の回折格子４により反射され（反射の一
１次）、再び透過型の回折格子３の透過による１次の回
折光Ｐ４と、透過型の回折格子６の透過による１次の回
折光が反射型の回折格子４により反射され（反則の１次
）、再び透過型の回折格子３の透過による０次の回折光
Ｐ５と、である。値ｌに寄与する点から考えると、回折
光Ｐ１、Ｐ４、Ｐ５は等価であるから、回折光Ｐ１で代
表させて考えると、光電変換器７０上において、回折光
Ｐ１と回折光Ｐ２が干渉すると７＝ｊ、回折光Ｐ１と回
折光Ｐ３が干渉するとｌ−１、回折光Ｐ２と回折光Ｐ３
が干渉すると７＝２となるが、光電変換器７０の例えば
光電変換素子７ａには互いに丁ｄずれた格子ＡとＢから
の回折光が入射するから、格子Ａによる光電変換素子７
ａの出力信号Ｉ　Ａ　（Ｚ）は、／＝１に対してはＩ　
Ａｃｒ）＝Ａ＋Ｂｓ１ｎ　（予・２　π＋　９’）　−
−（１１１）となり、ｌ＝２に対しては 、　　２ｘ ＩＡ（ｘ）−Ａ＋Ｂｓ１ｎ（丁・２π＋ψ）・・・・・
・（１１）（１つ である。

一方、格子Ｂによる光電変換素子７ａの出力信して 、　２πＸ ＩＢ　（−Ｔ）−Ａ　＋　Ｂ　ｓ１ｎ←１−＋π＋ψ）
　・−・（１２）となり、同様に７＝２に対しては 、　２πＸ ＩＢ（ｒ）＝Ａ＋Ｂｓ＋ｎ　（Ｔ＋２π＋ψ）−−−−
−・（１３；）である。

従って、７＝１の場合には（１０）式と（１２）式とか
らＩ　Ａ　（、ｒ）とＩｎ（、ｒ）は逆相となるので相
殺され、１＝２の場合には（１１）式と（１つ式とから
ＩＡ（、ｚ）とＩ　Ｂ　（ｘ）は同相となるので加算さ
れ、結局光電変換素子７ａからは７＝２に対応した信号
Ｉ　（Ｚ）のみが得られることになる。格子ＣとＤ１格
子ＥとＦ１格子ＧとＨによって光電変換索子７ｂ、７ｃ
、７ｄから得られる信号も同様に／＝２に対応した信号
のみとなる。而して、格子Ａ、Ｃ，Ｆ、、Ｇは順次７ｃ
、７ｄからは順次位相が９０度づつずれた正弦波信号が
得られる。

（１勺 以上の説明は、０次と１次の回折光以外の回折光が透過
型の回折格子６から生じないよう設計した場合であるが
、このような回折格子を用いると、使用波長が比較的大
きくなってしまう。そこで、回折格子３からは０次と１
次の回折光と共に一１次と２次の回折光まで生ずる如く
設計すると、同じ格子定数でも０次と１次の回折光のみ
生ずる場合に比し６割程度の波長を用いることができる
。

すなわち、１次の回折光の回折角βを入射角αと等しく
なるようにし、３次の回折光が回折限界となる条件を求
めると、（３）式より ｄ　　（ｓｉｎ　ａ　＋ｓｉｎ　ａ）　＝λ・・・・・
・・・・（１４）ｄ　　（ｓｉｎａ　＋５ｊｎ９０”　
）　＝ＦＳλ・・・・−（１５）が得られるから、（１
４）式、（１５）式からとなる。

既に述べたところと同様にして であれば、透過型の回折格子３からは０次、±１次、２
次の回折光のみが透過によって生ずるよう（１４） に成すことができる。この際、入射角αは、２λ　　　
　３λ １−一≦ｑｉｎα≦丁−１ の節回で適当に選択される。

このような透過型の回折格子を用いると使用波長を短く
することができるけれども、透過型の回折格子を透過す
る２次と一１次の回折光が悪影響を与えるので、本実施
例はこれらの回折光をミッシングオーダー（ｍｉｓｓｉ
ｎｇ　　ｏｒｄｅｒ）を利用して消去する。

すなわち、第７図（ａ）に示した如く、入射角がαでブ
レーズ角がγのとき、第７図（ｈ）の如き伸度分布の回
折光が生じ、この強度分布を与える各回折光の包絡線は
ブレーズ角ｒをピークとする。

で衷わされることが知られている。世し、第７図（ａ）
においてｄ−ｂの微小部分は不透明として考えるＯ λ 従って、包絡線がＯとなるβはｒ＋ｎ−Ｆ；（但し、ｎ
け０でない整数・・・・・・第７図（ｂ）参照）である
。−（１つ 方、入射角がαの場合、ｍ次の回折光の回折角βλ γ＋ｎ　−＝−α十丁λ・・・・・・・・・（１６）を
満足するｍ次の回折光がミッシングオーダー（ｍｉｓｓ
ｉｎｇ　　ｏｒｄｅｒ）となって生じないことになる。

具体的に前述のエンコーダで透過型の回折格子２−力ｋ
」ノ・・・・・・・・・（１カｈ　　　ｎ　　　２ｄ が成１立する。−１次の回折光の場合、式（１７）にｍ
−−１、ｎ−−１を代入すれば、 となる。また２次の回折光の場合、式（１７）にｍ＝２
、ｎ　＝　１を代入すれは、 となり、ｂ＝τｄのとき一１次と２次の回折光はミッシ
ングオーダー（ｍｉｓｓｉｎｇ　　ｏｒｄｅｒ）となっ
て生じないことがわかる。この場合の回折光の分布を第
８図に示す。

（１６） 一方、反射型の回折格子４を第９図のように各微小反射
面が水平方向に対し角度αを成している如き三角波（二
等辺三角形）状に成し、入射光の入射角をαとすれば、
回折光の弾度分布は第１０図のようになる。第１０図で
も明らかな如く、第９図の如き回折格子を用いると、山
形を形成する２方向の反射面ｒ１、ｒ２のうち、入射光
の反射角をαとする反射面ｒ１による回折光と、反射角
を一３αとする反射面ｒ２による回折光とが合成された
弾度分布が得られる。第１０図において入射角αが λ α’：：：　ｓｉ　ｎα；ご− ｄ のとき、回折光の分布は第１１図のようになる。

対する正反則の方向（αと一３α）のみが残り、他の回
折光はｍｉｓｓｉｎｇ　　ｏｒｄｅｒとなって生じない
ことがわかる。一方、第１０図において入射角αが２ｍ
λ　　　　　（２ｍ−１−１）λ の場合も同様に、回折光は一方向と、一つゆ−ｄ （１７） の方向のうちの微小反射面に対する正反射の方向（−α
、６α）のみが残ることがわかる。

このような反射型の回折格子を前述の０次と１次のみの
回折光が生ずる透過型の回折格子と組み合わせると、透
過型の回折格子の格子定数が６６１２図の如くになる。

第１２図における波線はｍｉｓｓｉｎｇ　ｏｒｄｅｒに
よって生じない回折光であり、実際に透過型の回折格子
から射出される回折光は第１２図中光路がすべて実線の
４１、Ｑ２の２つだけである。この回折光ｑ１、ｑ２け
まさに所望の回折光である。

なお、第１２図には示さなかったが、既に述べ２ｍλ た如く反射型の回折格子からは］「の方向の回折光が生
じている。しかしながら、これらの回折光に関連して透
過型の回折格子から射出される回折光は、所望の回折光
ｑ１、ｑ２に対し角度を有しているから、第５図に示し
た如きピンホール８にて除去できる。

（１８） このように、高次の回折光を回折条件を満たさないよう
にして除くと共に、特定の回折光をミッシングオーダー
（ｍｉｓｓｉｎｇ　ｏｒｄｅｒ）を用いて除くことがで
きるが、この場合にも透過型の回折格子の表面における
回折光を除去するために、例えば第６図の如き位相ずれ
を有する分割格子を用いる必要がある。

なお、以上いずれの実施例の場合においても、透過型の
回折格子を分割格子と成し、反則型の回折格子全所定の
次数の回折光のみを反射する如く設計しても良い。

この場合、透過型の回折格子を基準格子として光電変換
器７０と一体に成し、反射型の回折格子を移動格子とし
て透過型の回折格子に対して移動する如く成す必要があ
る。（勿論、相対的な移動を問題にすれば良いから、絶
対的には反射型の回折格子が固定で透過型の回折格子が
移動する如く成っている場合もある。） 以上述べた如く本発明によれば、移動格子の移動に応じ
て光電変換素子の出力信号を単一周波数（１９） のみの正弦波状の信号と成すことができるので、分割読
み取りをする場合でも正確に移動量を読みとることので
きる回折格子を用いたエンコーダを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は回折格子を用いたエンコーダの基本的な光学系
の配置図、第２図は所望の回折光の様子を示す光路図、
第３図（ａ）乃至（Ｃ）は移動格子の移動によって得ら
れる信号を説明する波形図、第４図は本発明の一実施例
における回折光の様子を示す光路図、第５図は本発明の
一実施例の光学系の配置図、第６図は第５図の反射型の
回折格子４の詳って得られる回折光の張度分布図、第８
図は第７図Φ）においてブレーズ角γを０にした場合に
得られる回折光の強度分布図、第９図は本発明の実施例
において用いられる反射型の回折格子の側面図、第１０
図は第９図の反射型の回折格子により得られる回折光の
強度分布図、第１１図は第１０図で（２０） 図は第８図で示した如き回折光の弾度分布を有する透過
型の回折格子と、第１１図で示した如き回折光の強度分
布を有する反射型の回折格子を組み合わせた場合に得ら
れる回折光の光路図。 ［主要部分の符号の説明］ １・・・・・・光　源、　　　　　　　２・・・・・・
コリメータレンズ、３・・・・・・透過型の回折格子、
　４・・・・・・反射型の回折格子、５・・・・・・半
　透　鏡、　　　　６・・・・・・集光レンズ、８・・
・・・・ピンホール板、７０・・・・・・光電変換器。 出願人　日本光学工業株式会社 代理人　　渡　辺　隆　男 ｃ２１） ２４図 ″；Ｆ６図 オフ図 一７８図 ２１−１；笈０７九ｔ７尤Ｚ゛たづ士

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 測定光としての平行光束中に、相対的に移動する透過型
   の回折格子と反射型の回折格子とを対向して配設し、前
   記反射型の回折格子からの反射光を、集光レンズ系によ
   って前記透過型の回折格子を介して光電変換素子上に集
   光せしめ、前記透過型の回折格子と前記反射型の回折格
   子のいずれか一方を前記光電変換素子に対して位置変化
   のないように一体と成し、前記一方の回折格子に対する
   他方の回折格子の移動量を読み取るエンコーダにおいて
   、前記集光レンズ系の後側焦点位置に光軸及びその付近
   の光のみ透過する空間フィルタを配設すると共に、所望
   の回折光が得られる如く、前記測定光の波長と前記透過
   型の回折格子の格子定数と前記透過型の回折格子への前
   記測定光の入射角とを定め、前記透過型の回折格子の表
   面反射による回折光の影響を除去するために、前記一方
   の回折格子を所定量位相のずれた格子から成る分割格子
   として構成したことを特徴とするエンコーダ。