JPS62201314A - 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】 く技術分野〉 本発明はエンコーダーに関し、特に移動又は回転物体に
取付けた回折格子に可干渉性光束を入射させ該回折格子
からの回折光を互いに干渉させて干渉縞を形成し、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又
は回転状態、即ち物体の移動又は回転状態を測定するエ
ンコーダーに関するものである。

〈従来技術〉 近年ＮＣ工作機械や半導体焼付装置等の精密機械におい
ては１μｍ以下（サブミクロン）の単位で測定すること
のできる精密な′ＡＩＩＩ定器が要求されている。

従来よりサブミクロンの単位で７１１１１定することの
できるＪＭ定器としては、レーザー等のり干渉性光束を
用い移動物体からの回折光より干渉縞を形成させ、該干
渉縞を利用したリニアエンコーダーが良く知られている
。

一方、従来よりフロッピーデスクの駆動子のコンピュー
ター機器５　プリンター等の市務機器、あるいはＮＣｆ
Ｃ機作さらにはＶＴＲのギヤプステンモーターや回転ド
ラム等の回転機構の回転速度や回転速度の変動量を検出
する為の手段として光電的なロータリーエンコーダーが
利用されてきている。

光電的なロータリーエンコーダーは例えば第３図に示す
ように回転軸３０に連絡した円板３５の周囲に透光部と
遮光部を等間隔に設けた、所謂メインスケール３１とこ
れに対応してメインスケールと等しい間隔で透光部と遮
光部とを設けた所１渭固定のインデックススケール３２
との双方のスケールを投光手段３３と受光手段３４で挟
んで対向配置した所謂インデックススケール方式の構成
を採っている。この方法はメインスケールの回転に伴っ
て双方のスケールの透光部と遮光部の間隔に同期した信
号が得られ、この信号を周波数解析して回転軸の回転速
度の変動を検出している。この為、双方のスケールの透
光部と遮光部とのスケール間隔を細かくすればする程、
検出粘度を高めることができる。しかしながらスケール
間隔を細かくすると回折光の影響で受光手段からの出力
信号のＳ／Ｎ比が低下し、検出精度が低下してしまう欠
点があった。この為メインスケールの透光部と遮光部の
格子の総本数を固定させ、透光部と遮光部の間隔を回折
光の影響を受けない程度まで拡大しようとするとメイン
スケールの円板の直径が増大し更に厚さも増大し装４全
体が大型化し、この結果被検回転物体への負荷が太きく
なってくる等の欠点があった。

上記従来のロータリーエンコーダーに於る回折光の発生
、すなわちフレネル回折の影響を軽減する手法として、
メインスケールとインデックススケールとを近接させる
方法があるが、０、１　ｍ　ｍ以下の精度で常時一定の
間隔を保持するのは困難であり、又、接触させておく場
合は摩擦による熱の発生、回転負荷の増大、寿命の低下
等の問題が生じる。従って、メインスケールとインデッ
クススケールとを用いるこの種のロータリーエンコーダ
ーでは、更に検出精度を高めるのは不可能であり、ロー
タリーエンコーダーとして新しいタイプの高い検出精度
を有する装置が要望されている。この要望に答える為の
１つの方法として、従来リニアエンコーダで提案されて
きた」二連の干渉縞検出方式をロータリーエンコーダー
に応用することが考えられる。この方式によれば従来の
ロータリーエンコーダーに於る問題点は殆ど解消され、
又、高粘度、高分解能の検出能力を有する装置を得るこ
とが可能である。

しかしながら、このロータリーエンコーダーや前述のリ
ニアエンコーダーに於て回折光を利用した［渉縞検出方
式を用いる場合にも種々の問題点は有している。例えば
１回折格子から出射する多数の回折光のうち干渉縞の形
成に使用すべＳ回折光を所定の光学手段に指向する際な
どに、他の不安な回折光、特に隣接する次数の回折光を
も光学下段に指向してしまい、この不要回折光が測定１
１ｉのノイズとなり、測定精度を大きく劣化させる要因
となっていた。

〈発明の概要〉 本発明の目的は、上記従来の欠点を除去し、干渉縞検出
力式のエンコーダーに於て、高精度のＡｌ１定が可能で
且つ小型化を図ることが出来るエンコーダーを提供する
ことにある。

上記［１的を達する為に、本発明に係るエンコーダーは
、可干渉光束を得る為の光源手段と、該可干渉光束を移
動又は回転可能な物体に設けた回折格子に入射せしめる
第１光学手段と、該回折格子から出射する複数個の回折
光を毛ね合わせる第２光学手段と、該第２光学手段で得
られる光束を受ける受光手段とを有し、該受光手段から
の信号により前記物体の移動又は回転状態を検知するエ
ンコーダーに於て、前記回折格子から出射する複数の回
折光の内隣り合う次数の回折光の分離角Δを Δ〉３６ となるは構成したことを４’Ｆ徴とする。

本発明の更なる特徴は以下に示す実施例により明らかに
なるであろう。

〈実施例〉 第１図は本発明に係るエンコーダーの光学系概略図で、
ここでは、ロータリーエンコーダーを示している。

本実施例ではレーザー１より放射された光束をコリメー
ターレンズ２によって平行光束とし偏光ビームスプリッ
タ−３に入射させ、略等光ら１の反射光束と透過光束の
２つの直線偏光の光束に分割している。このうち反射し
た光束は電波長板４を経て１円偏光とし、被測定回転物
体と連結した円板６」二の放射状の回折格子が設けられ
ている放射格子７の位ｉＭ１に入射させている。そして
放射格子７に入射し回折した透過回折光のうち特定次数
の回折光を反射手段８により反射させ、同一光路を逆行
させ放射格子７−１−の略同−位置Ｍ１に再入射させて
いる。そして放射格子７により再回折された特定次数の
回折光を電波長板４を介して入射したときと９０度偏光
力位の異なる直線偏光とし偏光ビームスプリンター３に
入射させている。

本実施例では偏光ビームスプリッタ−３から反射手段８
に至る特定次数の回折光の往復光路を同一としている。

第２図は第１図で示した反射手段の一実施例の説明図で
ある。

同図においては反射鏡４０を集光レンズ４１の略焦点面
上に配置し、集光レンズ４１に平行に入射してきた特定
次数の回折光のみをマスク４２の開口部４３を通過させ
反射鏡４０で反射させた後、元の光路を逆戻りするよう
にしている。そして、その他の次数の回折光をマスク４
２により遮光している０反射手段としては、この地温２
図に示す機能と同一のものであれば、例えばキャッツア
イ光学系等のような構成のものでも良い。このような光
学系を用いれば例えばレーザーの発振波長が変化し、回
折角が多少変化しても略同じ光路で戻すことができる特
徴がある。

又、キャッツアイ光学系に、屈折率分布型レンズ、例え
ば白木板硝子社製のセルフォックマイクロレンズ（商品
名）等を適用し、その両端平面な点に着目して片面に反
射膜を設ける事により、構成が簡便で■つ又生産性に富
む光学素子として本発明に有効に適用する４ｔができる
。

第１図に戻り偏光ビームスプリッタ−３で分割された２
つの光束のうち透過した光束は電波長板５を介し円偏光
とし１円板６上の放射格子７上の位置Ｍ１と回転軸５０
に対して略点対称の位置Ｍ２に入射させている。そして
放射格子７に入射し回折した透過回折光のうち特定次数
の回折光を前述の反射手段８と同様の反射手段９により
同一光路を逆行させて、放射格子７の略同−位置Ｍ２に
再入射させている。そして放射格子７より再回折された
特定次数の回折光を電波長板５を介し入射したときとは
９０度偏光力位の異なる直線偏光とし偏光ビームスプリ
ッタ−３に入射させている。

このとさ、透過光束も前述の反射光束と同様に偏光ビー
ムスプリッタ−３から反射手段９に至る特定次数の回折
光の往復光路を同一とじている。そして反射手段８を介
し入射してきた回折光と重なり合わせた後、ｙ４波長板
１０を介し円偏光とし、光分謂器１１で２つの光束に分
割し、各々の光束を互いの偏光方位を４５度傾けて配置
した偏光板１２．１３を介し双方の光束に９０度の位相
差を付けた直線偏光として各々の受光手段１４．１５に
入射させている。そして受光手段１４．１５により形成
された２光束の干渉縞の強度を検出している。

本実施例において被測定回転物体が放射格子７の１ピッ
チ分だけ回転するとｍ次の回折光の位相は２ｍπだけ変
化する。同様に放射格子７により再回折されたｎ次の回
折光の位相は２ｎπだけ変化する。これにより全体とし
て受光手段からは（２ｍ　−２ｎ　）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
とにより回転量を測定している。

本実施例では回折格子のピッチを２．８５ｐｍ、回折光
として１次及び−１次を利用しており。

回転物体がピッチの２．８５４ｍ分だけ回転したとき受
光素子からは４個の正弦波形が得られる。即ち１Ｆ弦波
形１個当りの分解能として回折格子の１ピツチの％の２
．８５／４　＝　０．７１ｐｍが得られる。

さて、第１図に示すロータリーエンコーダーの構成上問
題となるのは、特に反射手段８，９の配置に関してであ
る。偏光ビームスプリッタ−３で分割された反射光束と
透過光束とは夫々放射格子７上の位５！ＩＭＩ、Ｍ２に
入射するが、この時、Ｍｌ、Ｍ２からは０次、±１次。

±２次等の複数の透過回折光が出射する。上述の如き互
いに重ね合わせて干渉縞を形成させる回折光としてＭ　
１．　Ｍ　２の±１次同志を用いる場合、０次及び±２
次の回折光が反射手段８゜９に入射するのは明らかに好
ましくない、従って、第１図に示すロータリーエンコー
ダーでは以下に示される条件式（３）を満足する様に構
成されている。

従来のメインスケールとインデックススケールとを用い
る光電式のロータリーエンコーダーで問題となるフレネ
ル回折と異なり、本発明の如き干渉縞検出方式のエンコ
ーダーに於ては、回折格子のピッチを微小にすることに
よりフラウンホーファー回折の近似を成り立たせている
。ここで、回折格子への光束の入射角Ｏｉミツラウンホ
ーファー折によるｎ次の回折光の回折角Ｏｎ、回折格子
のピッチＰ１回折される光束の波長入の関係は Ｐ　（５ｉｎＯｎ　−５ｉｎｔＪ　ｉ）　＝　ｎ入　−
−−−−−−−−−＝−一−−−−−（１）で表わすこ
とができる。

従って、隣り合う次数同志の分離角を△とするとΔ＝　
５ｉｎ−１（（ｎ＋１）入／Ｐ＋　５ｉｎＯｉ）−５ｉ
ｎ−１（ｎ入／Ｐ＋　５ＩｎＯ１）−−−−（２）（ｎ
＝　０　、１　、２　、３−−−−）となる。

ここで、この種の干渉縞検出方式のエンコーダーに於て
、使用可能な可干渉光束や光学系の構成、光束径等を鑑
みると上記（２）式で示される分離角Δは１Δｌ　＞３
’−−−−（３）を満足することが望ましい、この分離
角Δが３°以下になると隣り合う次数同志の回折角の差
が小さくなり過ぎ、所ｑ７の次数の回折光を利用しよう
として他の回折をと分離させる為には、第１図の反射手
段８．９の如き光学素子をＭ　Ｌ　、　Ｍ　２から非常
に離れた位置に配する必要があり、光路長が長くなって
装置の小型化が出来なくなると共に系全体の安定性も悪
化する。

本実施例に於い、ては回折格子のピッチＰは２．８５ｐ
ｍであり、レーザ１として現在ある如何なるデ／へイス
を用いたとしてもΔ＞１５°となる様に設計されて構成
しており、十分に（３）式を満足する。従って、反射手
段８．９等に不要な回折光が入射することはなく、反射
手段８゜９等をＭ　１　、　Ｍ　２に近接して配置する
ことが出来た為、精度が良く且つ小型のロータリーエン
コーダーを提供することが可能となった。

−力、回折格子に対して光束を垂直入射させる構成をと
る場合、Ｏｉ二〇であるため、上記（２）　、　（３）
式より、 Δ＝　　５ｉｎ−１（（ｎ＋１）入／Ｐ）−５ｉｎ−’
　（ｎ入／Ｐ）＞３”　−−−−−−（４）（ｎ＝０　
、　ｌ　、　２　、−−＝）となる、この時、代表的な
可干渉光束の波長入（ｐｍ）に対して、上記（４）式を
満足する回折格子のピッチＰ（ＩＬｍ）の上限値を次表
に記す。

従って、レーザとして安価な半導体レーザ等を用いると
すれば、この種の光源の一般的な波長入は０．７８〜０
．８０μｍであるから、回折格子のピッチＰは１５ｐｍ
未満にすることが好ましい。

第１図に戻り、本実施例では光分割器１１により光束を
２分割し各々の光束量に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。

尚１回転、ｍｌ−のみを測定するのであれば光分割器１
１．偏光板１２．１３及び一方の受光手段は不要である
。

本実施例では回転中心に対して略点対称の２つの７１ｋ
　７４Ｍ１．Ｍ２からの回折光を利用することにより回
転物体の回転中心と放射格子の中心との偏心による測定
誤差を軽減させている。

尚、本実施例に於る構成は略点対称な２点からの回折光
を利用しているわけであるが、略点対称に限らず複数の
位置からの回折光を用いることにより略同等の効果を得
ることが出来る。

例えば、ＩＦいに１２０°の角度を成す３点からの回折
光を利用したり、近接しない任意の２点からの回折光を
利用するのも有効である。

更に一方の光束の回転軸中心寄りの光束要素と略点対称
な位置に入射させた他方の光束の回転軸中心寄りの光束
要素とを互いに重なり合わせ、同様に回転中心の外側寄
りの光束要素同志を毛ね合わせることにより、放射格子
の外側と内側のピッチの違いより生じる波面収差の影響
を除去している。

本実施例では偏光ビームスプリッタ−３から反射Ｆ段８
．９に至る特定次数の回折光の往復の光路を同一とする
ことにより、偏光ビームスプリッタ−３における２つの
回折光束の重なり具合を容易にし、装置全体の組立粘度
を向上させている。

以上、本発明に関して第１図のロータリーエンコーダー
を用いて説明したが、本発明は第１図の構成に限定され
るものではなく、回折格子を有し回折格子から出射する
回折光を利用して干渉縞を形成し、この干渉縞を検出す
る方式の全てのエンコーダーに適用可能である。特に本
発明によれば、第１図に示す如きロータリーエンコーダ
ーの小型化、薄型化を達成するのを容易にし、測定精度
が高く且つ小型の装置を提供出来る。

又、本発明においては透過回折光の代わりに反射回折光
を利用しても良い。

尚、本発明において使用する回折格子は、透光部と遮光
部から成る所謂振幅型の回折格子、互いに異なる屈折率
を有する部分から成る位相型の回折格子である。特に位
相型の回折格子は、例えば、透明円盤の円周上に凹凸の
レリーフパターンを形成することにより作成出来、エン
ボス、スパツク等のプロセスにより量産カ可能である。

又、エンコーダの場合、所定の移動物体に形成する回折
格子のピッチは直接測定精度に係わってくる。即ち回折
格子のピッチが小さい程同−構成の装置では精度が向上
する。従って、本発明に於る回折格子のピッチは装置の
仕様、特に要求される検出精度と装置構成や大きさ等を
考慮した一Ｌで決定すべきである。

〈発明の効果〉 以に、本発明に係るエンコーダーは、回折格子から出射
する複数の回折光、特に隣り合う次数の回折光による悪
影響を除くことが出来ると共に装置の小型化、薄型化を
可能にする装置であり、高精度測定が可能なエンコーダ
ーである。

【図面の簡単な説明】

第１図は木光り１に係るロータリーエンコーダーの一実
施例を示す図。 第２図は第１図に於る反射手段の構成例を示す図。 第３図は従来のロータリーエンコーダーの一例を示す図
。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）可干渉光束を得る為の光源手段と、該可干渉光束
   を移動又は回転可能な物体に設けた回折格子に入射せし
   める第１光学手段と、該回折格子から出射する複数個の
   回折光を重ね合わせる第２光学手段と、該第２光学手段
   で得られる光束を受ける受光手段とを有し、該受光手段
   からの信号により前記物体の移動又は回転状態を検知す
   るエンコーダーに於て、前記回折格子から出射する複数
   の回折光の内隣り合う次数の回折光の分離角Δを Δ＞３° となる様構成したエンコーダー。
2. （２）前記回折格子のピッチＰが１５μｍ以下であるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載のエンコ
   ーダー。