JPS62204127A - 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状
態、即ち移動物体の移動又は回転状態をΔ１す定するエ
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ｌｐｍ以下（サブミクロン）の単位で測定すること
のできる精密な測定器が要求されている。

従来よりサブミクロンの単位で測定することのできる測
定器としては、レーザー等の可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等のコンピュー
ター機器、プリンター等の事務機器、あるいはＮＣ工作
機械さらにはＶＴＲのギヤブ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絡−−回転軸
±＊に連絡した円板 ＝４の周囲に透光部と遮光部を等間隔に設けた、所Ａｎ
メインスケールホ４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謂固定のイン
デックススケールキネとの双方のスケールを投光手段午
守と受光手段客坤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、この信号を周波数回
折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、検出精度を高めることかでさる。

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ご全体が大型化し、この結果被検回
転物体への負荷が大きくなってくる等の欠点があった。

この種の従来のロータリーエンコーダーの欠点を解消す
る方式の１つとして、前述したリニアエンコーダーの干
渉縞検出方式をローターリ−エンコーダーに適用する事
が考えられる。

しかしながら、リニアエンコーダー、ロータリーエンコ
ーダーに限らず、この種の回折光を用いた干渉縞検出方
式に於ては、回折格子から率、検出感度が悪いという欠
点を生じた。その上、不要な他の回折光がフレアーとな
ったり、ゴースト光発生の原因となったりして、干渉縞
検出時のＳ／Ｎ比が下がるという問題も生じていた。

〈発明の概要〉 本発明の目的は、上記従来の欠点に鑑み、光源から出射
した光束を効率良く干渉縞形成に用い、検出感度を向上
させたエンコーダーを提供することにある。

上記目的を達成する為に、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、前記可干渉光束を
移動又は回転可能な物体に形成した回折格子に指向する
第１光学手段と、前記回折格子から出射する複数の回折
光を重ね合わせる第２光学手段と前記第２光学手段で得
られる光束を受けて干渉縞を検出する受光手段とを有し
、前記受光手段からの信号より前記物体の移動又は回転
状態を検知する装置であって、前記回折格子から出射す
る複数の回折光のうち、重ね合わせべき特定次数の回折
光の強度が大略最大となる様に前記回折格子を構成した
ことを特徴とする。

尚１本発明の更なる特徴は以下に示す実施例から明らか
になるであろう。

〈実施例〉 第１図は本発明に係るエンコーターの一実施例を示す概
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ｌ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、略等光量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１／４波長板４を経て、円偏光とし、被測定回転
物体と連結した円板６上の放射状の回折格子が設けられ
ている放射格子７の位置Ｍ１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
に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上の略同−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１／４波長板４を介して入射したときと９０度偏
光方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。

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。反射手段としては、この他第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１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
ば日本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若目して片面に反
射膜を設けることにより、構成が簡便で且つ又生産性に
富む光学素子として本発明に有効に適用することができ
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１／４波長板５を介し円
偏光とし、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Ｍ
２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１／４波長板５を介し入射した
ときは９０度偏光方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。

このとき、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
折光の往復光路光路を同一としている。そして反射手段
８を介して入射してきた回折光と重なり合わせた後、ｌ
／４波長板１０を介し円偏光とし、光分割器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９
０度の位相差を付けた直線偏光として各々の受光手段１
４．１５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ピツ
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０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。

例えば回折格子のピッチが３．２ｐｍ、回折光として１
次及び−１次を利用したとすれば回転物体がピッチの３
．２ｇｍ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。即ち正弦波形１個当りの分解能として
回折格子の１ピツチの１／４の３．２７４　＝　０．８
　ｐ−ｍが得られる。

第３図は未実施例に係るエンコーダーで用いる放射格子
を示す図である。図中、第１図と同様に６は円板を、７
は放射格子を示し、斜線部は光吸収部、空白部は光透過
部で、ψｐは放射格子７の角度ピッチ、ψｗは光透過部
の角度を准している。

をψｗ／ψｐ　＝　０．５としている。即ち第３図に示
す如き所謂振幅型の回折格子に於て白黒チャートのデユ
ーティ比を５０％とすることにより、±１次の回折光が
最大強度で得られるように制御１モ出来ており、この結
果、偏光ビームスプリッタ−１１で重ね合わされて受光
手段１４及び１５で検出される干渉縞の干渉効率を向上
させている。又詳細は後述するが、第３図の如き放射格
子を用いれば±２次の回折光は発生しない為にゴースト
光等の発生を仰えることが可能になる。

さて、第３図に示す如き振幅型の回折格子に於るｍ次の
回折光の回折効率は、角度ピッチをψｐ、光透渦部角度
ψｗとすれば次の（１）式で表わすことが出来る。

５ｉｎ２（πｍψｗ／ψｐ） ηｍ＝　　　　　　　　　　　　　　　−−−−（１）
π２゜２ この（１）式を用いてψｗ／ψｐと回折効率ηｍとの関
係を示したのが第４図である。第４図に於ては横軸にデ
ユーティ比ψｗ／ψｐを。

縦軸に回折効＊　７７　ｍをとって記載している。

第４図から解る様に、１次回折光を利用する場合はψｗ
／ψＦ　＝　０．５の時が回折効率η１主１０（％）と
なり、回折光強度は最大となる。

更に、この時２次回折光の回折効率η２はη２＝０とな
る為にψｍ／ψｐ　＝　０．５で構成された回折格子か
らは±２次の回折光は発生しないことになる。例えば、
第１図に示す様なエンコーダーに於ては、特定次数の回
折光を放射格子７から大略垂直に出射させる為に、この
特定次数の回折光の回折角αで可干渉光束を放射格子７
に入射させる場合がある。この時、一般に第５゛図に示
す様な角度βで反射回折する反射ゴースト光が発生する
。反射回折の条件は、 Ｐ（ｓｉｎａ＋ｓｉｎβ）＝ｍ入 で表わされ、これに対して１次の回折角で入射させた場
合の透過回折の条件は Ｐｓｉｎα＝入 となる為、前記反射回折の条件は以下の様に変形出来る
。

Ｐｓｉｎβ＝（ｍ−１）入 従って、上式からｍ＝２の時α＝βとなり、この場合は
２次の反射回折光が入射光路の方向に出射し逆行する為
、所５１１ゴースト光となって干渉縞の検出の妨げにな
る。しかしながら、上述した様にデユーティ比５０％、
ロロちψｗ／ψｐ　＝　０．５にすることで２次の回折
光の発生を抑えること出来る為、この種のゴースト光に
よって干渉縞の検出精度を低下させることがなくなる。

又、測定の分解能を」二げる為に２次や３次の回折光を
用いる場合は、第４図から解る様に２次回折光に時はψ
ｗ／ψｐ＝０．２５．３次回折光の時はψｗ／ψＦ　＝
　０．５として回折格子（放射格子）を構成すれば良い
、尚、この種の振幅型回折格子ではｍ次とｎ次（ｍ≠ｎ
）の回折効率ψｍ、ψｎが等しくなる様なデユーティは
存のが好ましく、干渉縞の明暗比（ビジビリティ−）が
高く検出精度も良い。

以上、振幅型回折格子に関して説明したが、本発明に係
るエンコーダーでは位相型の回折格子も用いることが出
来る。とりわけ１位相型回折格子は振幅型回折格子に比
べて回折効率が大きく、光束利用効率を大きく高めるこ
とが可能な為有効である。

第６図（Ａ）、（Ｂ）は位相型回折格子を示す断面模式
図であり、この様ちな凹凸のレリーフパターンにより光
束に位相差を生じせしめる回折格子を形成している。こ
の他、透明部材中に交互に屈折率を変えて格子を形成し
たり、上゛記号リーフパターン上に反射膜を施したりし
て、透過又は反射型の種々の位相型回折格子を得ること
が出来る。

第６図に於て、（Ａ）は矩形状の位相格子、（Ｂ）は三
角波状の位相格子を示している。この他、正弦波状の位
相格子や所謂ブレーズド回折格子と言われる非対称形状
の位相格子等格子形状は種々有る。従って、この種の位
相型回折格子に於る回折光の挙動は、格子形状、格子を
成す物質の屈折率、格子の高さ、及び格子ピッチ等の多
くのパラメータから決まり、一般式をここで導出するの
はひかえる。

しかしながら、位相型回折格子の特徴として、格子のピ
ッチを小さくすることにより出射する回折光の次数を制
御出来１例えば、０次と＋１次のみを出射させることが
可能である。

又、隣接する次数同志の分離角も犬きくすることが出来
る。又、使用する空回干渉光束の波長入０に対して、格
子の高さＴと格子を成す物質の屈折率〇を制御すること
により０次回新党を出射させることなく、入射光の全て
のエネルギーを、例えば±１次回折光のみ、＋１次と＋
２次の回折光のみに集中させることが出来、当然回折効
率も高い。

例えば、第６図（Ａ）に示す矩形状の回折格子に於て、
周囲の屈折＝ＶをｎＱとすれば。

（ｍ＝ｏ、Ｌ、２．３　−−−） を満足する様に回折格子を形成すれば零次回折光は発生
しない、この様な場合、回折光同志の分離角や回折効率
を鑑みると、＋１次の回折光を用いて干渉縞を検出する
のが、測定精度や装置構成の上で好ましい。

更に前述のブレーズド回折格子は特定次数の回折光の強
度を非常に強くする。例えば＋１次や＋３次等の回折光
に入射光のエネルギーは集中され、他の回折光強度は微
弱なものとなり極めて有効である。従って、＋３次等の
回折光を利用すれば、測定の分解能が数段向上するばか
りでなく、十分な回折光強度を得ることが出来て測定精
度も良い。

以上の如く位相型の回折格子を用いても、重ね合わせる
べき特定次数の回折光強度を最大にすることが出来、光
束利用効率の向上、干渉効率の向上、　Ａｌ１１定精度
の向上も達成可能である。

第１図にもどり、本実施例では光分割器１１により光束
を２分割し各々の光束間の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、回転量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つの位置Ｍ
１．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、尾いに１２０°の角度を成す３
点から回折光を利用したり、近接しない任意の２点から
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重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！
を除去している。

本実施例では偏光ビームスプリッタ−３から反射手段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、装差全体の組立精度
を向上させている。

尚、以上の各実施例において１／４波長板４．５は偏光
ビームスプリッタ−３と反射手段８．９との間であれば
どこに配置してもよい、。

又、各実施例においては透過回折光の代りに反射回折光
を利用してもよい。

尚１本実施例において使用する回折格子は、前述の如く
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、スタンパ等のプロセスにより量産が可
能である。

以上、ここではロータリーエンコーダーをとりあげて１
本発明に関して詳述したが、当然リニアエンコーダーに
も適用出来る。即ち、回折格子の移動又は回転状態を回
折格子から出射する回折光のうち特定次数の回折光を重
ね合わせて干渉縞を検出する方式のエンコーダー全てに
本発明は適用可能である。

尚、本発明の思想にもとづき種々の変形例、応用例が存
在することは言うまでもない。

〈発明の効果〉 以ヒ、木発明に係るエンコーダーは、光束利用効率に優
れ、干渉縞の干渉効率を高めることにより高精度のｌ！
ＩＩＩ定が可能な装置である。更に回折格子の構成を制
御することでゴースト光等の有害光が受光手段へ入□射
するのを妨ぎ、安定した測定が実施できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るエンコーダーの実施例を示す図。 第２図は第１図に於る反射手段の一例を示す図。 身 第３図は第１図に於る放射格子の検呑例を示す図。 第４図は振幅型回折格子のデユーティψｗ／ψｐと回折
効率ηとの関係を示す図。 第５図は反射ゴースト光に関する説明図。 の 第６図（Ａ）、（Ｂ）は回折格子の他も例を示す模式図
。 ｉ　−−−−−−−−−一一−−−光源２−−−−−−
−−−−−−−−コリメータレンズ３−一一−−−−−
−−−−−偏光ビームスプリッター４　、５　、　ｌ　
０−−−−１／４波長板６−−−−−−−−−−−−−
一円板 ７−−−−−−−−−−−−−一放射格子８　、９−−
−−−−−−−一反射手段１１−−−−−−−−−−−
一光分割器１２　、　ｌ　３−−−−−一偏光板 １４　、１５−−−−−一受光手段 ４０−−−−−−−−−−−一反射鏡 ４１−−−−−−−−−−−一集光レンズ４２−−−−
−−−−−−−−マスク ４３−−−−−一一−−−−−開口部 ５０−−−−−−−−−−−一回転軸 ψｐ−−”’−−＝−角度ピッチ ψｗ−−−−−−−−−−−−光透過角度Ｍ　１　、　
Ｍ　２−−−−−一放射格子上の光東入射位１δ第うＭ 九忽

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）可干渉光束を得る為の光源手段と前記可干渉光束
   を移動又は回転可能な物体に形成した回折格子に指向す
   る第１光学手段と前記回折格子から出射する複数の回折
   光を重ね合わせる第２光学手段と前記第２光学手段で得
   られる光束を受けて干渉縞を検出する受光手段とを有し
   、前記受光手段からの信号より前記物体の移動又は回転
   状態を検知する装置であって、前記回折格子から出射す
   る複数の回折光のうち、重ね合わせるべき特定次数の回
   折光の強度が大略最大となる様に前記回折格子を構成し
   たエンコーダー。
2. （２）前記回折格子が振幅型回折格子から成ることを特
   徴とする特許請求の範囲第（１）項記載のエンコーダー
   。
3. （３）前記回折格子が位相型回折格子から成ることを特
   徴とする特許請求の範囲第（１）項記載のエンコーダー
   。
4. （４）前記振幅型回折格子の角度ピッチψｐと光透過部
   又は光反射部角度ψｗとの比ψｗ／ψｐが （ψｗ）／（ψｐ）≒０．５ であることを特徴とする特許請求の範囲第（２）項記載
   のエンコーダー。
5. （５）前記重ね合わせるべき特定次数の回折光を±１次
   の回折光とした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。