(57)【要約】【課題】本発明は、エンコーダ出力信号のドリフトを簡単かつ確実に抑えることのできる回折干渉方式の光電式エンコーダを提供することを目的とする。【解決手段】本発明の光電式エンコーダは、照明光を出射する照明手段（１１，１２）と、前記照明光の光路に配置され、格子線と交差する方向に変位する移動回折格子（１５）と、前記照明光を２つの光に分岐し、前記２つの光を同一の光路長で前記移動回折格子に照明して干渉させる干渉光学系（１３，１４Ａ，１４Ｂ）と、前記干渉した光を検出する検出手段（１６）とを有することを特徴とする。【選択図】      図１
2006170696.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
照明光を出射する照明手段と、
前記照明光の光路に配置され、格子線と交差する方向に変位する移動回折格子と、
前記照明光を２つの光に分岐し、前記２つの光を同一の光路長で前記移動回折格子に照明して干渉させる干渉光学系と、
前記干渉した光を検出する検出手段と
を有することを特徴とする光電式エンコーダ。
【請求項２】
請求項１に記載の光電式エンコーダにおいて、
前記照明手段は、前記照明光の波長が変化しても前記検出手段で検出する光の強度が変動しない位置に配置されている
ことを特徴とする光電式エンコーダ。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の光電式エンコーダにおいて、
前記干渉光学系は、
前記移動回折格子と同じ格子間隔で前記移動回折格子に平行に配置され、前記照明光を２つの光に分岐するインデックス回折格子と、
前記２つに分岐された光をそれぞれ偏向し、前記移動回折格子の同一位置に照明する２つの偏向素子とを有する
ことを特徴とする光電式エンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電式エンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、回折干渉方式の光電式エンコーダが開示されている。特許文献１の第２Ａ図にも記載されているように、この光電式エンコーダでは、光源からの照明光束が移動回折格子とインデックス回折格子とに投光される。これら２つの回折格子の回折作用により、照明光束は１対の回折光に分岐され、その後に再統合される。再統合された１対の回折光の干渉強度は、受光素子によって検出される。この受光素子の出力信号は、移動回折格子の移動に伴って変化するので、その変位又は移動量を示す信号（エンコーダ出力信号）を生成するために利用される。
【特許文献１】特開平３−２７９８１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、この光電式エンコーダは、光源の不安定性などにより波長が変動し、前記１対の回折光の干渉強度が不安定となり、エンコーダ出力信号にドリフトが生起するという問題があった。
このため、この光電式エンコーダを高精度化しようとした場合には、干渉強度を安定させるための機構、例えば、光源温度をコントロールする機構などを付加する必要があった。
【０００４】
そこで本発明は、エンコーダ出力信号のドリフトを簡単に抑えることのできる回折干渉方式の光電式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】
【０００５】
請求項１に記載の光電式エンコーダは、照明光を出射する照明手段と、前記照明光の光路に配置され、格子線と交差する方向に変位する移動回折格子と、前記照明光を２つの光に分岐し、前記２つの光を同一の光路長で前記移動回折格子に照明して干渉させる干渉光学系と、前記干渉した光を検出する検出手段とを有することを特徴とする。
請求項２に記載の光電式エンコーダは、請求項１に記載の光電式エンコーダにおいて、前記照明手段は、前記照明光の波長が変化しても前記検出手段で検出する光の強度が変動しない位置に配置されていることを特徴とする。
【０００６】
請求項３に記載の光電式エンコーダは、請求項１又は請求項２に記載の光電式エンコーダにおいて、前記干渉光学系は、前記移動回折格子と同じ格子間隔で前記移動回折格子に平行に配置され、前記照明光を２つの光に分岐するインデックス回折格子と、前記２つに分岐された光をそれぞれ偏向し、前記移動回折格子の同一位置に照明する２つの偏向素子とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、エンコーダ出力信号のドリフトを簡単に抑えることのできる回折干渉方式の光電式エンコーダが実現する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
［第１実施形態］
以下、第１実施形態を説明する。本実施形態は、回折光干渉方式の光電式リニアエンコーダの実施形態である。
先ず、本エンコーダの構成を説明する。図１は、本エンコーダの構成図である。本エンコーダには、光源１１、コリメータレンズ１２、インデックス回折格子１３、１対のミラー１４Ａ、１４Ｂ、移動回折格子１５、受光素子１６、回路部２１などが備えられる。
【０００９】
光源１１は、例えば、波長λが約８５０ｎｍのレーザ光を出射するレーザ光源である。インデックス回折格子１３及び移動回折格子１５は、例えば、位相型の回折格子である。これらインデックス回折格子１３及び移動回折格子１５の格子線の方向及び格子ピッチｐは互いに同じである。格子ピッチｐは、５０μｍ以下、例えば、数μｍに設定されている。
【００１０】
このうち、光源１１、コリメータレンズ１２、インデックス回折格子１３、１対のミラー１４Ａ、１４Ｂ、受光素子１６は、互いの位置が固定される。それに対し、移動回折格子１５は、不図示の移動物体と共に変位する。その変位する方向は、図１中に矢印で示すように、移動回折格子１５の格子の形成面と平行であって格子線に垂直な方向である。
回路部２１は、光源１１や受光回路２１を駆動制御する回路や、受光回路２１の出力信号を処理する回路などからなる。
【００１１】
なお、図１中には、移動回折格子１５の変位する方向をＸ方向とし、移動回折格子１５の格子線方向をＹ方向とし、移動回折格子１５の法線方向をＺ方向とした右手系のＸＹＺ直交座標系を示した。以下、必要に応じてこの座標系による方向表現を採用する。
次に、本エンコーダの動作を説明する。光源１１が出射する照明光（波長λ）は、コリメータレンズ１２で平行光となり、インデックス回折格子１３に入射し、インデックス回折格子１３の回折作用により各次数の回折光を生起させる。このうち±１次回折光は、１対のミラー１４Ａ、１４Ｂで個別に偏向された後、移動回折格子１５の同じ位置に入射する。
【００１２】
それらの±１次回折光は、移動回折格子１５の回折作用によって統合される。統合された±１次回折光は、受光素子１６に入射する。受光素子１６は、入射した±１次回折光の干渉強度を示す信号（以下、「干渉信号Ｉ」と称す。）を出力する。この干渉信号Ｉの値は、移動回折格子１５のＸ方向の変位ｘに応じたものとなる。
回路部２１は、このような干渉信号Ｉに基づき、移動回折格子１５のＸ方向の変位ｘ（又は移動量｜ｘ｜）を示すエンコーダ出力信号（カウント値）を生成する。
【００１３】
ここで、光源１１の出力の不安定性が本エンコーダに与える影響を考える。先ず、上述した±１次回折光の一方と他方との光路長差をΔＬとおくと、受光素子１６から出力される干渉信号Ｉは、以下の式（１）で与えられる。
Ｉ＝ｃｏｓ［４πｘ／ｐ＋ｋ・ΔＬ］  ・・・（１）
但し、式（１）において、「ｘ」は、移動回折格子１５の変位、「ｐ」は、インデックス回折格子１３及び移動回折格子１５の格子ピッチ、「ｋ」は、照明光の波数である。なお、式（１）では、変位ｘに対する干渉信号Ｉの位相を、４πｘ／ｐとおいた。また、照明光の波数ｋは、ｋ＝２π／λで表されるので、式（１）は以下の式（２）のとおり書き換えることができる。
【００１４】
Ｉ＝ｃｏｓ［４πｘ／ｐ＋２πΔＬ／λ］  ・・・（２）
さて、光源１１の出力の不安定性は、主に、光源１１の温度変化に起因する。これにより、照明光の波長λが変動する。式（２）によると、照明光の波長λがΔλだけ変動したときの干渉信号Ｉは、以下の式（３）のとおり表される。
Ｉ＝ｃｏｓ［４πｘ／ｐ＋２πΔＬ／（λ＋Δλ）］  ・・・（３）
よって、光源１１の出力の不安定性による干渉信号Ｉの位相の変動量Δθは、波長λの変動量Δλに対し以下の式（４）で表される。
【００１５】
Δθ＝２πΔＬ・Δλ／λ2  ・・・（４）
いま、計算を簡単にするため、本エンコーダにおいて光源１１の波長λ＝１μｍ、かつ光路長差ΔＬ＝１ｍｍの条件が設定された場合を考える。この条件下で、仮に、Δλ＝１ｎｍの波長変動が生じたとすると、式（４）から、Δθ＝２πもの位相変動が干渉信号Ｉに生じることが計算される。位相変動量Δθ＝２πは、移動回折格子１５の変位ｘに換算するとｐ／２に相当する。これは、エンコーダ出力信号に、ｐ／２（格子ピッチｐの半分）ものドリフトが生じることを意味する。例えば、格子ピッチｐ＝２μｍに設定されたときには、エンコーダ出力信号に１μｍの範囲でドリフトが生じる。
【００１６】
その一方で、本エンコーダ（格子ピッチｐ＝数μｍ）に要求される測定精度は、サブナノメーターである。よって、１μｍものドリフトを引き起こすΔλ＝１ｎｍの波長変動は、本エンコーダにおいて絶対に回避すべき事態である。
そこで、式（４）を参照すると、仮に光路長差ΔＬ＝０であれば、波長変動量Δλに依らず位相変動量Δθ＝０となり、波長変動によるエンコーダ出力信号のドリフトをゼロにできることがわかる。また、式（４）を参照すると、光路長差ΔＬがゼロに近いほど位相変動量Δθをゼロに近づけられ、波長変動によるエンコーダ出力信号のドリフトを低減できることがわかる。このため、本エンコーダには、光路長差ΔＬをゼロに近づける調整（光路長差調整）が予め施される。以下、この光路長差調整の方法を説明する。
【００１７】
本エンコーダの製造者又は管理者は、光源１１のパワー又は温度を変化させながら１対のミラー１４Ａ，１４Ｂの位置のみを変化させる（このとき、その他の要素、すなわち光源１１，コリメータレンズ１２、インデックス回折格子１３、移動回折格子１５、受光素子１６の位置は変化させない。）。また、そのときのエンコーダ出力信号（カウント値）を参照する。そして、光源１１のパワー又は温度が変化してもエンコーダ出力信号（カウント値）が変化しないような１対のミラー１４Ａ，１４Ｂの位置を見いだす。そして、その位置で１対のミラー１４Ａ，１４Ｂを固定する。
【００１８】
この光路長差調整では、光源１１のパワー又は温度を変化させることで、照明光の波長λを変化させており、１対のミラー１４Ａ，１４Ｂの位置を変化させることで、光路長差ΔＬを変化させている。この光路長差調整によると、光路長差ΔＬは略ゼロになり、波長変動によるエンコーダ出力信号のドリフトは、略ゼロに抑えられる。
なお、本エンコーダが生成する干渉信号は１つのみであるが、互いに位相の異なる２つ以上の干渉信号が生成されるように変形してもよい。例えば、バーニア方式に変形することもできる。
【００１９】
また、本エンコーダの光路長差調整では、照明光の波長λを変化させるために、光源１１のパワー又は温度を変化させたが、波長の異なる複数台の光源を用意してそれらを本エンコーダに対し付け替えてもよい。
［第２実施形態］
以下、第２実施形態を説明する。本実施形態は、回折干渉方式の光電式リニアエンコーダの実施形態である。ここでは、第１実施形態との相違点のみ説明する。また、本エンコーダには、バーニア方式が適用されているとする。
【００２０】
図２は、本エンコーダの部分構成図である。図２に示すように、相違点は、１対のミラー１４Ａ，１４Ｂ（図１参照）の代わりに、単一のガラスブロック２４が備えられ、インデックス回折格子１３（図１参照）の代わりに、反射型のインデックス回折格子１３’が備えられた点にある。なお、本エンコーダにも、光源、コリメータレンズ、受光素子、回路部が第１実施形態と同様に備えられるが、図示省略した。また、バーニア方式が適用されているので、本エンコーダの受光素子は、多分割受光素子である。
【００２１】
なお、図２中には、移動回折格子１５の変位する方向をＸ方向とし、移動回折格子１５の格子線方向をＹ方向とし、移動回折格子１５の法線方向をＺ方向とした右手系のＸＹＺ直交座標系を示した。以下、必要に応じてこの座標系による方向表現を採用する。
ガラスブロック２４は、移動回折格子１５の光源側に配置された直方体状のガラスブロックである。直方体の形状精度は十分に高く、例えば、１０秒以下の誤差で各面の垂直度が設定されている。ガラスブロック２４の互いに直交する３辺は、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向のぞれぞれを向いている。このガラスブロック２４の反光源側の面２４Ａの中央領域に、反射型のインデックス回折格子１３’が、その反射型回折面１３Ａを光源側に向けた姿勢で設けられている。
【００２２】
本エンコーダには、バーニア方式が適用されているので、反射型回折面１３Ａの格子ピッチは、移動回折格子１５の格子ピッチよりも若干だけずれている。
以上の構成の本エンコーダでは、不図示の光源及びコリメータレンズが生成した照明光（平行光からなる。）が、ガラスブロック２４を介して反射型回折面１３Ａに投光される。この照明光は、反射型回折面１３Ａの回折作用により各次数の回折光を生起させる。このうち、±１次回折光は、ガラスブロック２４の内部を内面反射しつつ±Ｘ方向にそれぞれ伝搬し、ガラスブロック２４の面２４Ａにおける反射型回折面１３Ａの非形成領域から、ガラスブロック２４の外部へと個別に射出する。ガラスブロック２４から個別に射出した±１次回折光は、移動回折格子１５の同じ領域に入射し、移動回折格子１５の回折作用によって統合される。
【００２３】
但し、本エンコーダにはバーニア方式が適用されており、移動回折格子１４の格子ピッチは、反射型回折面１３Ａの格子ピッチから若干だけずれているので、統合後の±１次回折光は、互いに若干だけずれた光路を進行し、格子線と同じ方向に延びるストライプ状の干渉縞を不図示の多分割受光素子上に形成する。不図示の多分割受光素子は、この干渉縞のＸ方向の各位置の強度を示す複数の干渉信号を出力する。これらの干渉信号の値の組み合わせは、移動回折格子１５のＸ方向の変位ｘに応じたものとなる。不図示の回路部は、このような干渉信号に基づき、移動回折格子１５のＸ方向の変位ｘを示すエンコーダ出力信号（カウント値）を生成する。
【００２４】
なお、本エンコーダにおいては、第１実施形態のところで述べた光路長差調整（±１次回折光の一方と他方との光路長差ΔＬをゼロに近づける調整）をするために、ガラスブロック２４への照明光の入射位置が工具により調整可能になっている。また、光源は、複数台の光源の間で交換可能である。
次に、本エンコーダにおける光路長差調整の方法を説明する。
【００２５】
本エンコーダの製造者又は管理者は、８５０ｎｍ±１０ｎｍの波長範囲の互いに異なる波長の複数台の光源を用意する。そして、工具を利用して照明光の入射位置をＸ方向にずれた各位置に設定する（このとき、その他の要素、すなわちガラスブロック２４、反射型回折格子１３’、移動回折格子１５、多分割受光素子の位置は変化させない。）。また、照明光の入射位置が各位置に設定された各状態において、前述した複数台の光源を本エンコーダに対し順次セットする。さらに、照明光の入射位置と光源との組み合わせが異なる各状態において、エンコーダ出力信号（カウント値）を参照する。そして、光源が交換されてもエンコーダ出力信号（カウント値）が変化しないような照明光の入射位置を見いだす。そして、その位置に照明光の入射位置を固定する。
【００２６】
この光路長差調整では、複数台の光源を順次セットすることで、照明光の波長λを変化させており、照明光の入射位置を変化させることで、光路長差ΔＬを変化させている。この光路長差調整によると、光路長差ΔＬは略ゼロになり、波長変動によるエンコーダ出力信号のドリフトは、略ゼロに抑えられる。しかも、本エンコーダは、８５０ｎｍ±１０ｎｍの波長範囲内の複数の光源であれば、交換互換性機能を持つ。
【００２７】
また、本エンコーダでは、１対のミラー１４Ａ，１４Ｂ（図１）の代わりに単一のガラスブロック２４が備えられ、かつ反射型のインデックス回折格子１３’がガラスブロック２４に固定されているので、光路長差ΔＬを変化させるために、ガラスブロック２４に対する照明光の入射位置しか変化させていない。このため、光路長差調整が容易である。
因みに、本エンコーダの光源の交換互換性を評価するべく、８５０ｎｍ±１０ｎｍ波長範囲内の１４台の光源を順次セットし、それら光源間におけるエンコーダ出力信号の標準偏差を測定したところ、２．５ｎｍ程度に抑えられることがわかった。
【００２８】
このような本エンコーダによると、変位ｘの測定分解能を約０．８ｎｍにまで向上させることができる。これ程までの高分解能は、従来のエンコーダでは決して達成することができなかった。
なお、本エンコーダにはバーニア方式が適用されたが、互いに位相の異なる２つ以上の干渉信号が別の方法で生成されるように変形してもよい。また、測定対象が変位ｘではなく移動量｜ｘ｜のみでよければ、第１実施形態のように１つの干渉信号のみ生成するように変形してもよい。
【００２９】
また、本エンコーダの光路長差調整では、照明光の波長λを変化させるために光源を付け替えたが、光源のパワー又は温度を変化させてもよい。但し、より広い波長範囲内での交換互換性を本エンコーダに付与する場合には、光源を付け替える方が好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】第１実施形態の構成図である。
【図２】第２実施形態の部分構成図である。
【符号の説明】
【００３１】
１１  光源
１２  コリメータレンズ
１３  インデックス回折格子
１３’  反射型インデックス回折格子
１４Ａ，１４Ｂ  ミラー
１５  移動回折格子
１６  受光素子
２１  回路部
２４  ガラスブロック
【図１】
2006170696.tif 000003
【図２】
2006170696.tif 000004