(57)【要約】【課題】  照明光学系の構成がコンパクトなエンコーダを提供する。【解決手段】  本発明のエンコーダ１は、光源１１と、光源１１からの光を２つの光束に分ける分離光学系１３と、分離光学系１３からの２つの光束ｃ１，ｃ２を同一位置に照射する照射手段１４と、照射手段１４からの２つの光束ｃ１，ｃ２が同一位置になる位置に配置されて照射手段１４に対して相対移動可能であり、移動方向に対して直交する複数の格子１５´が形成された移動スケール１５と、移動スケール１５を介して照射手段１４から照射される光束（具体的には回折光ｄの干渉）を検出する受光素子１６とを有し、照射手段１４は分離光学系１３からの２つの光束ｃ１，ｃ２がそれぞれ入射する第１面及び第２面と、第１面と相対して非平行に配置され第１面に入射した光を反射する第３面と、第２面と相対して非平行に配置され第２面に入射した光を反射する第４面とを少なくとも含む多面体形状に構成される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源からの光を２つの光束に分ける分離光学系と、
前記分離光学系からの前記２つの光束を同一位置に照射する照射手段と、
前記照射手段からの前記２つの光束が前記同一位置になる位置に配置され、前記照射手段に対して相対移動可能であり、前記移動方向に対して直交する複数の格子が形成された移動スケールと、
前記移動スケールを介し、前記照射手段から照射される光束を検出する受光素子とを有し、
前記照射手段は、前記分離光学系からの前記２つの光束がそれぞれ入射する第１面及び第２面と、前記第１面と相対して非平行に配置され前記第１面に入射した光を反射する第３面と、前記第２面と相対して非平行に配置され前記第２面に入射した光を反射する第４面とを少なくとも含む多面体形状であることを特徴とするエンコーダ。
【請求項２】
前記第１面と前記第２面は、同一平面上にあることを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ。
【請求項３】
前記第３面と前記第４面は、同一平面上にあることを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ。
【請求項４】
前記照射手段は、前記２つの光束の前記第１面と前記第２面における入射位置とを結ぶ線分の垂直二等分線を基準に、前記スケールの移動方向に対して対称な形状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のエンコーダ。
【請求項５】
前記第１面と前記第３面の間隔及び第２面と第４面の間隔は、前記２つの光束の前記第１面と前記第２面における入射位置から離れるに従って、広くなるか又は狭くなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のエンコーダ。
【請求項６】
前記照射手段を構成する面のうち、前記第１面及び前記第２面を除く、少なくとも１面は、曲面であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のエンコーダ。
【請求項７】
前記分離光学系は、前記第１面と前記第２面又は前記第３面と前記第４面に形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のエンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の光電式エンコーダの一つとして、回折格子を３組使用する３格子型のエンコーダが知られている（例えば、特許文献１参照）。この３格子型のエンコーダでは、まず、第１の回折格子が、光源からの光を２つの回折光（すなわち±１次回折光）に分離して、第２の回折格子に入射させる。次に、第２の回折格子がこれらの光を回折して、第３の回折格子の同一位置に入射させる。そして、第３の回折格子がこの入射した光を回折して互いに重ね合わせて、一つの回折光として射出される。一般に、他の光学系を固設して、第３の回折格子のみをスケールとして可動物体に取り付けて移動可能にし、これの回折光を検出することにより該第３の回折格子の変位を検出するように構成されている。
【０００３】
上記のような回折格子を使用した光電式エンコーダにおいて、分解能は、移動スケールである第３の回折格子の格子ピッチに依存している。例えば、高分解能を得ようとする場合は、第３の回折格子の格子ピッチを細かくするのが一般的である。ここで、回折格子に入射する光の入射角をαとし、波長をλとし、格子ピッチをＰとすると、ｎ次光の回折角度θは次式（１）で表すことができる。
【０００４】
ｓｉｎθ＝（ｎλ／Ｐ）−ｓｉｎα      …（１）
【０００５】
上記の式（１）より、第３の回折格子の格子ピッチが細かくなるほど、この第３の回折格子における回折角度θが大きくなることが分かる。
【特許文献１】特開平２００２−８１９６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記のように第３の回折格子における回折角度θを大きくするためには、該第３の回折格子に入射する光の入射角度、つまり照明光学系である第２の回折格子から第３の回折格子へ入射する光束の入射角度を大きくとる必要があった。すると、これに伴って照明光学系を含む光学系の構成が大型化して、温度や気圧変化などの環境変化や外乱に対して不安定になるおそれがあった。
【０００７】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、照明光学系の構成がコンパクトなエンコーダを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このような目的を達成するため、本発明のエンコーダは、光源と、前記光源からの光を２つの光束に分ける分離光学系と、前記分離光学系からの前記２つの光束を同一位置に照射する照射手段と、前記照射手段からの前記２つの光束が前記同一位置になる位置に配置され、前記照射手段に対して相対移動可能であり、前記移動方向に対して直交する複数の格子が形成された移動スケールと、前記移動スケールを介し、前記照射手段から照射される光束を検出する受光素子とを有し、前記照射手段は、前記分離光学系からの前記２つの光束がそれぞれ入射する第１面及び第２面と、前記第１面と相対して非平行に配置され前記第１面に入射した光を反射する第３面と、前記第２面と相対して非平行に配置され前記第２面に入射した光を反射する第４面とを少なくとも含む多面体形状に構成される。
【発明の効果】
【０００９】
以上説明したように、本発明によれば、照明光学系の構成がコンパクトなエンコーダを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、本発明のエンコーダについて説明する。
【００１１】
本発明のエンコーダ１は、図１（ａ）に示すように、光源１１と、（コリメート）レンズ１２と、分離手段１３と、照射手段１４と、移動スケール１５と、受光素子１６とを備えている。
【００１２】
なお、光源１１、（コリメート）レンズ１２、分離手段１３及び照射手段１４は、光軸ｚ上に並んで固定されている。また、移動スケール１５は、これら１１〜１４に対して、図１（ａ）のｘ軸方向において相対移動可能となっている。
【００１３】
光源１１には、レーザ光源や発光ダイオード（ＬＥＤ）などが用いられ、（コリメート）レンズ１２に向かって光ａを射出する。
【００１４】
（コリメート）レンズ１２は、光源１１からの光ａを平行光束ｂにして射出する。
【００１５】
分離手段１３は、（コリメート）レンズ１２からの平行光束ｂを、２つの光束ｃ１，ｃ２に分けて射出する。
【００１６】
本実施形態では、分離手段１３には格子１３´がピッチＰ３で刻線されており、平行光束ｂを２つの光束ｃ１，ｃ２に分割する光学部材として機能している。なお、ピッチＰ３は、後述の移動スケール１５に刻線されている格子１５´のピッチＰ５と同一ピッチに設定されている（但し、これに限定されるものではない。すなわち、ピッチＰ３とピッチＰ５は異なるピッチであっても構わない）。
【００１７】
すなわち、分離手段１３により生成された２つの光束ｃ１，ｃ２は、格子１３´により回折された＋１次回折光ｃ１と、−１次回折光ｃ２である。実際には高次の回折光も発生するが、１次回折光に比べて強度が極端に小さいので、測定光としては１次回折光が利用される。図１（ａ）に示すように、＋１次回折光はｘｚ平面内において光軸ｚから角度θでｘ軸正方向に射出され、−１次回折光はｘｚ平面内において光軸ｚから角度θ´でｘ軸負方向に射出される。ここで、光線の波長をλとしたとき、角度θは次式（２）で算出され、角度θ´は次式（３）で算出される。但し、θ´＝−θとなっている。
【００１８】
ｓｉｎθ  ＝  λ／Ｐ３      …（２）
ｓｉｎθ´＝−λ／Ｐ３      …（３）
【００１９】
照射手段１４は、第２光学系１２からの２つの光束ｃ１，ｃ２を、その内部で多重反射させた後に移動スケール１５上の同一位置で集光させる。照射手段１４は光透過部材（ガラスブロック）からなっており、分離手段１３から射出される２つの光束ｃ１，ｃ２は入射面１４Ａに入射する。入射した光は、入射面１４Ａ（請求項１に係る第１面及び第２面に該当）と、入射面１４Ａに対向する面１４Ｂ（請求項１に係る第３面及び第４面に該当）との間で多重反射する。本実施形態に使用する照射手段１４においては、入射面１４Ａと面１４Ｂとの間の間隔は、照射手段１４の中心から外側に向かうに従って対称的に大きくなっている。すなわち、入射面１４ＡはＶ字状に形成されている。なお、入射面１４Ａを平面状に形成し、面１４Ｂを逆Ｖ字状に形成しても構わない。このように、入射面１４Ａ又は面１４Ｂの角度を変えることにより、移動スケール１５に入射する光の入射角を変えることができる。
【００２０】
より詳細に説明すると、２つの光束ｃ１，ｃ２は、面１４Ａに対して斜めに入射するため、界面で屈折してガラスブロックの内部に入射する。ガラスブロック内に入射した２つの光束のうち光束ｃ１は、ガラスブロックの面１４Ａ，１４Ｂにより多重反射され、ガラスブロック内をｘ軸正方向に伝播し、反射面の最終段である端面１４Ｃに達する。そして、端面１４Ｃで反射された光束ｃ１は、面１４Ｂから射出されて、移動スケール１５の格子１５´上に集光される。一方、ガラスブロック内に入射した光束ｃ２は、多重反射によりガラスブロック内をｘ軸負方向に伝播し、他方の端面１４Ｄで反射された後に、面１４Ｂから射出され、移動スケール１５の格子１５´上に集光される。
【００２１】
なお、照射手段１４、具体的にはガラスブロックは、面１４Ａ，１４Ｂの一部に反射コーティングを施したり、内部を伝播する光束ｃ１，ｃ２が全反射となるようにこれらの入射角を設定すること等により、内部での多重反射を可能にしている。
【００２２】
移動スケール１５は、照射手段１４に対して相対移動可能（図１（ａ）ではｘ軸方向）であり、この移動方向に対して直交して刻線された複数の格子１５´が形成されている。この格子１５´は、所定のピッチＰ５で刻線されており、上記のように、分離手段１３のピッチＰ３と同一に設定されている。
【００２３】
移動スケール１５上に集光された光束ｃ１，ｃ２は、格子１５´により回折されて、それぞれ±１次の回折を受けて再び重ね合わせて集光され、回折光ｄとなって受光素子１６に入射する。
【００２４】
受光素子１６は、照射手段１４からの光ｃ１，ｃ２が移動スケール１５に形成された格子１５´を透過することにより生成された回折光ｄの干渉を検出する。より具体的には、回折光ｄの強弱（干渉縞）を電気信号へと変換し、外部へ出力する。この電気信号に基づいて、（照射手段１４に対する）移動スケール１５の移動方向（ｘ軸方向）の変位を検出することができる。
【００２５】
以上まとめると、本発明のエンコーダ１は、光源１１から射出した光ａは、（コリメート）レンズ１２で平行光束ｂになって、分離手段１３で２つの光束ｃ１，ｃ２に分けられ、照射手段１４の内部で多重反射した後に、これら光学系１１〜１４に対して相対移動可能な移動スケール１５の同一位置に集光され、該移動スケール１５の格子１５´を透過して受光素子１６に入射する。そして、受光素子１６により検出された回折光ｄの強度変化に基づいて、光源１１を含む第１〜第３光学系１２〜１４に対する移動スケール１５の相対移動量を検出するようになっている。本実施形態では、照射手段１４は、分離手段１３からの２つの光束ｃ１，ｃ２が入射する面１４Ａと、この面に対向する面１４Ｂとが、それぞれ平行光束ｂを含む面に対して直交する断面形状を有した光透過部材（ガラスブロック）から構成されている。
【００２６】
ここで、比較例として、照射手段１４にガラスブロックを用いない、３格子型のエンコーダを図２に示す。第１の回折格子１０１，第２の回折格子１０２，第３の回折格子１０３はいずれも透過型回折格子であり、第１，３の回折格子１０１，１０３の格子ピッチは等しく、第２の回折格子１０２の格子ピッチは第１，３の回折格子１０１，１０３のピッチの１／２に設定されている。図１と対比した場合、第１の回折格子１０１は上記分離手段１３に対応し、第３の回折格子１０３は上記移動スケール１５に対応している。
【００２７】
光源１００から射出されたビーム１０４は、第１の回折格子１０１により回折され、＋１次回折光であるビーム１０５と、−１次回折光であるビーム１０６が発生する。ビーム１０５，１０６はそれぞれ第２の回折格子１０２により回折されて、第３の回折格子１０３に入射する。第３の回折格子１０３に入射したビーム１０５，１０６はそれぞれ±１次の回折を受けて再び重ね合わせて集光され、回折光１０７となって受光素子１０８に入射する。
【００２８】
図２において、第３の回折格子１０３への入射角を大きくするためには、第１の回折格子１０１と第２の回折格子１０２との間隔を大きくしたり、第２の回折格子１０２自体を大きくしたりする必要がある。そのため、第１，第２の回折格子１０１，１０２を含む照明光学系が大きくなって熱膨張による影響が増大することから、照明光学系に低膨張率の材料を用いるなどの対策が必要となる。
【００２９】
しかしながら、本発明のエンコーダ１では、分離手段１３からの２つの光束ｃ１，ｃ２を、照射手段１４を構成するガラスブロック内部の多重反射を利用して左右に伝播させることによって、２つの光束ｃ１，ｃ２の入射角を大きくするようにしている。したがって、多重反射の回数を多くすれば多くするほど、ガラスブロックの厚さ（光軸ｚ方向の寸法）をより小さくすることができる。なお、この光軸ｚ方向の寸法は、２つの光束ｃ１，ｃ２を反射するのに十分な端面１４Ｃ，１４Ｄが確保できる厚さまで薄くすることができる。よって、照明光学系全体に関しても熱膨張のような環境変化に対する不安定要因を抑制することができる。
【００３０】
また、本実施形態のエンコーダ１では、照射手段１４の入射面１４Ａ又は面１４Ｂの角度を変えることによって、移動スケール１５に入射する光の入射角を容易に変えることができる。
【００３１】
以上のような本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば適宜改良可能である。
【００３２】
例えば、上記実施形態では、図１（ａ）に示すように、照射手段１４のガラスブロックの面１４Ａを、略Ｖ字形状に形成したが、図３に示すように、これを逆Ｖ字形状にして、移動スケール１５上の同一位置で集光させるように構成することも可能である。
【００３３】
また、上記実施形態では、図１（ａ）に示すように、移動スケール１５に形成した格子１５´を透過型としたが、例えば、この格子を反射型にして、該格子の反射方向へ受光素子１６を配置することにより、反射型の光電式エンコーダとして構成することも可能である。
【００３４】
また、光源１１を、図１（ａ）の光軸Ｚ以外の場所に配置し、導波路や光ファイバなどを用いて光を光軸Ｚ上に導いてもよい。この構成により、光源１１をエンコーダ１の外部に配置することができ、より薄型なエンコーダ構成とすることができる。また、光源１１をエンコーダ１の外部に配置することにより、エンコーダ１は光源１１から発生する熱の影響を受け難くなるため、光学系システムの安定化に寄与する。
【００３５】
さらに、図４に示すように、照射手段１４における端面１４Ｃ，１４Ｄの傾斜角をそれぞれ異なった設定に構成してもよい。この構成により、照射手段１４を通った２つの光束ｃ１，ｃ２の重ね合わせた集光位置を光軸ｚ上以外の位置に設定することができ、２つの光束ｃ１，ｃ２に光路長差を与えることが可能となる。また、移動スケール１５に形成された格子１５´の回折角度に合わせて、照射手段１４から移動スケール１５への光ｃ１，ｃ２の入射角度を自由に設定することができるため、該入射角度が大きくなっても、照明光学系の構成を大型化することなく対処できる。なお、この移動スケール１５への光ｃ１，ｃ２の入射角度は、照射手段１４のガラスブロックの寸法精度さえ確保しておけばよく、照明光学系周辺の加工精度は厳しくする必要がない。図４で示す例では、端面１４Ｄの傾斜角をα＜０、端面１４Ｃの傾斜角をα＝０として、重ね合わせた集光位置を光軸ｚよりも左側に移動させている。
【００３６】
また、図５に示すように、照射手段１４における光透過部材（上記実施形態ではガラスブロック）を構成する面のうち、少なくとも１面は曲面に構成してもよい。特に、図５に示すように、照射手段１４のガラスブロックにおいて、反射の最終段に曲面を設定することで、移動スケール１５に照射する光ｃ１，ｃ２の集光・発散など整形効果を持たせることができる。
【００３７】
具体的に説明すると、図５で示す例では、照射手段１４の端面１４Ｃ，１４Ｄを曲面にしている。端面１４Ｃ，１４Ｄで反射された光ｃ１，ｃ２はｙ軸方向に関して集光され、移動スケール１５上ではｘ軸方向に延びた細長い線状の光束となる。光ｃ１，ｃ２が重ね合わされた回折光ｄは、いったん集光されたものが再びｙ軸方向に広がりながら受光素子１６の方向に進む。このように、ガラスブロックから射出後の光ｃ１，ｃ２の断面形状が線状となって、移動スケール１５の格子１５´の刻線が延びた方向（ｙ軸方向）に関して光線の幅が非常に狭くなっている場合には、分離手段１３の位置ずれに起因する受光信号の劣化を低減することができる。
【００３８】
ここで、図２に示す従来例と比較すると、この例では、ビーム１０５，１０６を集光するためには、集光レンズを追加する必要があり、光学系が大型化してしまう。しかしながら、図５で示す例では、照射手段１４の端面１４Ｃ，１４Ｄの形状を変更するだけでよく、光学系の大型化を防いで、温度や気圧変化などの環境変化や外乱に対して強い光学系を実現できる。なお、端面１４Ｃ，１４Ｄだけで光ｃ１，ｃ２を集光するようにしたが、多重反射面の複数の面を利用して集光してもよい。
【００３９】
また、照射手段１４における光透過部材（ガラスブロック）を構成する面のうち、少なくとも１面は分離手段１３（具体的には、本実施形態の回折格子１３´のように入射光を２光束に分けて射出する分離素子）を組み込んで構成してもよい。光束を２つに分けるため、上記した図１（ａ）に示す例では、分離手段１３を照射手段１４とは別に設けたが、図６に示す例では、照射手段１４のガラスブロックの上面１４Ａに分離素子１７を形成した。この分離素子１７は、ガラスブロックの上面１４Ａに刻線して回折格子としたものであり、上記の分離手段１３と照射手段１４の機能とを兼ね備えている。この構成により、分離手段１３と照射手段１４とを一体化することができ、より薄型の光学系を構築することができる。また、部品点数が減少するため、光学系の調整要素が減り、光学系システムの安定化に寄与する。なお、図６に示す例では、分離素子１７をガラスブロックの上面１４Ａに形成したが、下面１４Ｂに形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明に係る光電式のエンコーダの実施形態を示す図であり、（ａ）は全体構成図、（ｂ）は第３光学系におけるＩｂ−Ｉｂ断面における形状を示す図である。
【図２】比較例としての３格子型エンコーダを示す図である。
【図３】本発明に係る光電式のエンコーダの他の実施形態を示す図である。
【図４】本発明に係る光電式のエンコーダの他の実施形態を示す図である。
【図５】本発明に係る光電式のエンコーダの他の実施形態を示す図である。
【図６】本発明に係る光電式のエンコーダの他の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１    エンコーダ
１１  光源
１２  （コリメート）レンズ
１３  分離手段
１４  照射手段
１５  移動スケール
１６  受光素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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