(57)【要約】      （修正有）【課題】スケールと検出器の相対的な角度ずれがあっても検出信号のコントラストが低下しにくく、受光量が減少しにくい光回折干渉方式の光電式エンコーダを提供する。【解決手段】光電式エンコーダ１は、測長方向に沿って回折格子が形成されたスケール１４０と、回折格子に照射するためのコヒーレントな光を出射する光源１００と、光源１００とスケール１４０との間に設けられ、光源１００から出射した光を平行光束とするとともに、スケール上に投影される光束の形状を、測長方向と平行な方向の幅が測長方向と垂直な方向の幅よりも大きくなるように整形する光束整形部１１０、１１２と、光束整形部１１０、１１２を経た光をスケール１４０の回折格子に入射させ、回折格子によって生成される左右対称の光路を形成する同次数の回折光を干渉させて干渉光を得る光学系と、光学系により得られた干渉光を光電変換する受光素子１９０Ａ、１９０Ｂとを備える。【選択図】図１
2015210101.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測長方向に沿って回折格子が形成されたスケールと、
前記回折格子に照射するためのコヒーレントな光を出射する光源と、
前記光源と前記スケールとの間に設けられ、前記光源から出射した光を平行光束とするとともに、前記スケール上に投影される光束の形状を、測長方向と平行な方向の幅が測長方向と垂直な方向の幅よりも大きくなるように整形する光束整形部と、
前記光束整形部を経た光を、前記スケールの前記回折格子に入射させるとともに、前記回折格子によって生成される左右対称の光路を形成する同次数の回折光を干渉させて干渉光を得る光学系と、
前記光学系により得られた干渉光を光電変換する受光素子と
を備える光電式エンコーダ。
【請求項２】
前記光束整形部は、
前記光源が出射した光を平行光線とするコリメータレンズと、
前記スケールに投影されたときに測長方向と平行となる方向の幅が前記スケールに投影されたときに測長方向と垂直となる方向の幅よりも大きい形状の開口を有し、前記コリメータレンズにより平行光線とされた光束の形状を整形する開口部と
を備えることを特徴とする請求項１に記載の光電式エンコーダ。
【請求項３】
前記光束整形部は、
前記光源から出射される光を、前記スケールに投影されたときに測長方向と垂直となる方向について集束させ、当該方向に関して平行な光束とする第１シリンドリカルレンズと、
前記第１シリンドリカルレンズを通過した光を、前記スケールに投影されたときに測長方向と平行となる方向について集束させ、当該方向について平行な光束とする第２シリンドリカルレンズと
を備えることを特徴とする請求項１に記載の光電式エンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回折格子を用いた光電式エンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
光回折干渉方式の光電式エンコーダでは、一定ピッチで刻まれた格子構造の目盛を有するスケールに、レーザ光をコリメートした平行光を二方向から入射し、目盛で回折した光を干渉させることで位置情報の検出を行う（例えば特許文献１を参照。）。図７は、二相検波による透過型光回折干渉方式の光電式リニアエンコーダの構成の一例を示している。光源１００から出射しコリメートレンズ１１０によって平行光にコリメートされたレーザ光は偏光ビームスプリッタ１２０により二つの光路に分けられ、入射側ミラー１３０Ａ及び１３０Ｂで反射された後、それぞれスケール１４０に左右から入射する。スケール１４０の目盛（回折格子）によって回折した±１次の二光線は出射側ミラー１５０Ａ及び１５０Ｂを介して無偏光ビームスプリッタ１６０に入射し、当該無偏光ビームスプリッタ１６０により合成後、偏光板１８０Ａ及び１８０Ｂにより偏光方向を揃えられた後に受光素子１９０Ａ及び１９０Ｂに入射する。
【０００３】
偏光方向が揃った合成波は干渉を生じ、二光線の位相差に応じて干渉光の強度に強弱が発生する。スケール１４０が測長方向へ移動すると、±１次の二光線はそれぞれ位相が逆向きに移動するので、スケール１４０の移動量に応じて受光素子１９０Ａ及び１９０Ｂが受光する干渉光の強弱に変化を生じる。この強弱の変化は、スケール目盛周期の半分の周期で強め合う位置（図８（ｃ）中のスケール位置Ａ）と弱め合う位置（図８（ｃ）中のスケール位置Ｂ）が現れる。光回折干渉方式の光電式エンコーダでは、受光素子１９０Ａ及び１９０Ｂでこの干渉光の強度変化を計測することにより、位置検出を行う。
【０００４】
このような光電式エンコーダでは、理想的には図８（ａ）に示したように、二光線が同じ角度で受光面に入射するので、図８（ｂ）に示したように受光面上には干渉縞が発生せず、光強度は受光面内の位置に依存することはない。しかし、図９（ａ）に示したように干渉させる二光線の角度にずれ（角度差）が生じると、図９（ｂ）に示したように受光面上に干渉縞が発生し、受光面内の位置によって光強度が異なるようになる。その結果、図９（ｃ）に示したように検出信号のコントラスト（すなわちスケール移動量に対する総受光量の変化）が低下するという問題がある。
【０００５】
二光線の角度差はスケール１４０と、光源１００、各種ミラー（１３０Ａ、１３０Ｂ、１５０Ａ、１５０Ｂ）、受光素子（１９０Ａ、１９０Ｂ）等のスケール以外の構成要素（これらは一体に構成され「検出器１０」という）との相対的な角度ずれによって生じる。このため、検出器１０の取付位置調整を厳密に行う必要がある。図７の構成において、スケール１４０の測長方向をｘ軸、ｘ軸と垂直でスケール１４０の目盛面と平行な方向をｙ軸、スケール１４０の目盛面と垂直な方向をｚ軸とすると、二光線の角度差は主にスケール１４０と検出器１０の相対位置がｚ軸回りに回転することによって生じる。図１０は、スケール１４０が検出器１０に対しｚ軸回りに回転したときのレーザ光の回折方向を示す模式図である。図１０中、Ｒで示した斜線部は、レーザ光の光束が入射する読取領域を示している。スケールがｚ軸回りに回転すると、レーザ光の回折方向もｚ軸回りに回転する。このとき、二光線の回折方向は、図中で破線矢印で示したように、ｙ軸方向に関してそれぞれ逆向きとなり、干渉させる二光線に角度差が生じる。この角度差が受光素子の受光面において干渉縞を生じさせ、コントラストの低下を引き起こす。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許２５５７９６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述の干渉させる二光線に角度差が生じたときに検出信号のコントラストが低下するという問題に対して、図１１（ａ）〜（ｃ）に示したようにレーザ光の径を小さくする又は受光面を小さくすることにより、干渉縞の影響によるコントラスト低下を抑制する手法が知られている。しかし、この手法を採用する場合、コントラストは改善するものの、検出に用いることのできる総受光量は減少する。これはＳＮ比改善のためには望ましくない。また、レーザ光の径を小さくする又は受光面を小さくすることで平均化効果が弱まり、スケール１４０やビームスプリッタ等の光学素子に生じた傷や汚れの影響を受けやすくなるという別の問題が生じる。
【０００８】
そこで本発明の目的は、スケールと検出器の相対的な位置変動があっても検出信号のコントラストが低下しにくく、受光量が減少しにくい光回折干渉方式の光電式エンコーダを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決すべく、本発明の光電式エンコーダは、測長方向に沿って回折格子が形成されたスケールと、回折格子に照射するためのコヒーレントな光を出射する光源と、光源とスケールとの間に設けられ、光源から出射した光を平行光束とするとともに、スケール上に投影される光束の形状を、測長方向と平行な方向の幅が測長方向と垂直な方向の幅よりも大きくなるように整形する光束整形部と、光束整形部を経た光を、スケールの回折格子に入射させるとともに、回折格子によって生成される左右対称の光路を形成する同次数の回折光を干渉させて干渉光を得る光学系と、光学系により得られた干渉光を光電変換する受光素子とを備える。このような構成により、十分な受光量を確保しつつ、受光素子の受光面で生じる干渉縞の影響によるコントラストの低下を抑制することができる。
【００１０】
本発明では、光束整形部は、光源が出射した光を平行光線とするコリメータレンズと、スケールに投影されたときに測長方向と平行となる方向の幅がスケールに投影されたときに測長方向と垂直となる方向の幅よりも大きい形状の開口を有し、コリメータレンズにより平行光線とされた光束の形状を整形する開口部とを備えるとよい。このような構成により、スケール上に投影される光束の形状を、測長方向と平行な方向の幅が測長方向と垂直な方向の幅よりも大きくなるように整形することができる。
【００１１】
本発明では、光束整形部は、光源から出射される光を、スケールに投影されたときに測長方向と垂直となる方向について集束させ、当該方向に関して平行な光束とする第１シリンドリカルレンズと、第１シリンドリカルレンズを通過した光を、スケールに投影されたときに測長方向と平行となる方向について集束させ、当該方向について平行な光束とする第２シリンドリカルレンズとを備えてもよい。このような構成により、スケール上に投影される光束の形状を、測長方向と平行な方向の幅が測長方向と垂直な方向の幅よりも大きくなるように整形することができる。また、光源からの出射光を遮ることなく利用するので、出射光を効率よく利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る光電式エンコーダの構成を示す斜視図である。
【図２】開口板１１２による光束整形作用を説明する模式図である。
【図３】開口板１１２の正面図である。
【図４】スケール１４０に光束が投影される領域である読取領域Ｒの形状をスケール１４０とともに示す模式図である。
【図５】第１実施形態の光電式エンコーダによる効果を示すシミュレーション結果を示すグラフである。
【図６】（ａ）は、ｙ’−ｚ’平面での光路断面の模式図を示しており、（ｂ）は、ｘ’−ｚ’平面での光路断面の模式図を示している。
【図７】従来の光回折干渉方式の光電式エンコーダの構成を示す斜視図である。
【図８】（ａ）は、受光素子に角度差のない二光線が入射する様子を示す模式図である。（ｂ）は、角度差のない二光線が入射したときの光強度の受光位置依存性を示す図である。（ｃ）は、角度差のない二光線が入射したときのスケール移動量に対する受光量を示す図である。
【図９】（ａ）は、受光素子に角度差がある二光線が入射する様子を示す模式図である。（ｂ）は、角度差がある二光線が入射したときの光強度の受光位置依存性を示す図である。（ｃ）は、角度差がある二光線が入射したときのスケール移動量に対する受光量を示す図である。
【図１０】従来の光回折干渉方式の光電式エンコーダにおいて、スケールが検出器１０に対しｚ軸回りに回転したときのレーザ光の回折方向の変化を示す模式図である。
【図１１】（ａ）は、受光素子で受光するレーザ光の径を小さくした様子を示す模式図である。（ｂ）は、レーザ光の径を小さくした状態で角度差のある二光線が入射したときの光強度の受光位置依存性を示す図である。（ｃ）は、レーザ光の径を小さくした状態で角度差のある二光線が入射したときのスケール移動量に対する受光量を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る光電式エンコーダ１の構成を示す斜視図である。
図１に示すように、光電式エンコーダ１は、光源１００、コリメートレンズ１１０、開口板１１２、偏光ビームスプリッタ１２０、一対の入射側ミラー（１３０Ａ、１３０Ｂ）、スケール１４０、一対の出射側ミラー（１５０Ａ、１５０Ｂ）、無偏光ビームスプリッタ１６０、１／４波長板１７０、偏光板（１８０Ａ、１８０Ｂ）、及び受光素子（１９０Ａ、１９０Ｂ）を備える。コリメートレンズ１１０と開口板１１２は、本発明における光束整形部に相当する。また、偏光ビームスプリッタ１２０、一対の入射側ミラー（１３０Ａ、１３０Ｂ）、一対の出射側ミラー（１５０Ａ、１５０Ｂ）、無偏光ビームスプリッタ１６０、１／４波長板１７０、及び偏光板（１８０Ａ、１８０Ｂ）は、本発明における光学系に相当する。
【００１４】
以下の説明において、スケール１４０の測長方向をｘ軸、ｘ軸と垂直でスケール１４０の目盛面と平行な方向をｙ軸、スケール１４０の目盛面と垂直な方向をｚ軸とする。また、光源１００および光束整形部の説明では、光源１００からの出射光の光軸方向をｚ’軸とし、出射光の光軸方向と垂直な面内において入射側ミラー（１３０Ａ、１３０Ｂ）を経てスケール１４０に投影されたときに測長方向と平行になる方向をｘ’軸、測長方向と垂直な方向な方向をｙ’軸とする。
【００１５】
光源１００は、例えばレーザダイオードにより構成され、コヒーレントな光を発する。コリメートレンズ１１０は、光源１００が出射した光を平行光線とする。コリメートレンズ１１０により得られた平行光線は、開口板１１２に入射する。
【００１６】
開口板１１２は、ｘ’軸方向の幅がｙ’軸方向の幅よりも大きい形状の開口を有し、図２に示すように開口以外の部分に入射した光を遮ることにより、コリメートレンズ１１０によって平行光線とされた光束の断面形状を、開口の形状に整形する。本実施形態では、図３に示したように、開口板１１２に長径ａが短径ｂの２倍の楕円形の開口が形成され、長径方向がｘ’軸方向に向くように配置される。開口板１１２の開口を透過した光束は、断面形状が開口と同じ楕円形の平行光束となる。
【００１７】
開口板１１２により断面形状が整形された平行光束は、偏光ビームスプリッタ１２０に入射する。偏光ビームスプリッタ１２０は、入射した光のうちＰ偏光を透過しＳ偏光を反射することにより、それぞれ偏光方向の揃った二光線に分離する。入射側ミラー１３０Ａ及び１３０Ｂは、偏光ビームスプリッタ１２０により分離された二光線を反射し、スケール１４０上の回折格子に入射させる。
【００１８】
図４は、スケール１４０上に二光線の光束が投影される領域である読取領域Ｒの形状を模式的に示している。本実施形態において、読取領域Ｒは、開口板１１２の開口形状を反映して、それぞれｘ軸方向の幅がｙ軸方向の幅よりも大きくなる。
【００１９】
スケール１４０上の回折格子で回折された＋１次回折光と−１次回折光（以下、両者を総称して１次回折光という。また、次数の絶対値が共通の回折光を同次数の回折光という。）は、それぞれ出射側ミラー１５０Ａ又は１５０Ｂにより反射され、無偏光ビームスプリッタ１６０に入射する。無偏光ビームスプリッタ１６０により、入射した＋１次回折光と−１次回折光は混合されて、受光素子１９０Ａ、１９０Ｂが配置された方向に出射する。無偏光ビームスプリッタ１６０から受光素子１９０Ａへの経路には、偏光板１８０Ａが設けられ、＋１次回折光（Ｐ偏光）と−１次回折光（Ｓ偏光）を干渉可能な偏光状態とし、受光素子１９０Ａが干渉光の強度を検出する。一方、無偏光ビームスプリッタ１６０から受光素子１９０Ｂへの経路には、１／４波長板１７０と偏光板１８０Ｂが設けられる。１／４波長板１７０は、入射する光に含まれるＰ偏光とＳ偏光の光路長差を１／４波長分だけずらす光学素子である。１／４波長板１７０を通過した光は、偏光板１８０Ｂにより＋１次回折光（Ｐ偏光）と−１次回折光（Ｓ偏光）とを干渉可能な偏光状態とし、受光素子１９０Ｂが干渉光の強度を検出する。
【００２０】
１／４波長板１７０が介在することにより、受光素子１９０Ｂが検出する干渉光強度の変化は、受光素子１９０Ｂが検出する干渉光強度の変化と比較して位相が９０°ずれたものとなる。このような構成により、受光素子１９０Ａが干渉光を受光して出力した検出信号をＡ相、受光素子１９０Ｂが干渉光を受光して出力した検出信号をＢ相とする二相の出力が得られる。Ａ相信号及びＢ相信号は、スケール１４０が測長方向に移動することに伴い、スケール１４０に刻まれた回折格子の周期の半分の周期で強弱を繰り返す。Ａ相を横軸、Ｂ相を縦軸に、平面上にプロットすると、円形のリサージュ波形が描かれる。Ａ相信号とＢ相信号に基づき、リサージュ波形の逆正接（アークタンジェント）を演算することで、回折格子の周期よりも小さい変位量を算出することができる。
【００２１】
二光線の角度差は主にスケールと検出器１０の相対位置がｚ軸回りに回転することによって生じる。スケールがｚ軸回りに回転すると、レーザ光の回折方向もｚ軸回りに回転し、二光線の回折方向はｙ軸方向に関してそれぞれ逆向きとなる。コントラスト低下の原因となる干渉縞は、二光線の角度差を生じている方向に発生するので、角度差が生じているy軸方向の光束の幅を縮小することで干渉縞の影響を抑えることができ、スケールと検出器１０のｚ軸回りの回転方向の取付許容誤差を拡げることができる。同時に、ｘ軸方向の光束の幅を拡大することで、受光素子１９０Ａ、１９０Ｂに入射して検出に寄与する総受光量を、コントラストに影響を与えることなく確保することができる。
【００２２】
図５は、本実施形態の効果を示すシミュレーション結果である。シミュレーション条件は、スケール目盛周期０．４μｍ、光源波長６５５ｎｍ、入射角５４．５度である。図５中の破線は、直径１ｍｍの円形の開口を有する開口板を用いたエンコーダで、スケールのｚ軸回りの回転角度に対する干渉縞による受光量のコントラストの変化を計算した結果を示している。円形の開口の場合、コントラストが角度ずれのない状態（すなわちスケール回転角度が０の状態）の７０％になる角度は１４秒となっている。図５中の実線は、長軸長さａ＝１．４１４ｍｍ、短軸長さｂ＝０．７０７ｍｍの楕円形の開口を有する開口板を用いたエンコーダにおける計算結果を示している。直径１ｍｍの円形の開口部を用いた場合と比較して、同等の読取領域を確保しつつスケール回転角度に対するコントラストの低下が緩やかになっており、コントラストが角度ずれのない状態の７０％になる角度は２０秒となり、円形の場合から約４３％向上している。
【００２３】
なお、本実施形態では、開口板１１２に楕円形の開口が設けられる場合を例に説明したが、開口の形状は楕円形に限られず、ｘ’軸方向の幅がｙ’軸方向の幅よりも大きい形状であれば、例えば長方形等の他の形状としてもよい。
【００２４】
〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態に係る光電式エンコーダ１ａの特徴は、第１実施形態におけるコリメートレンズ１１０と開口板１１２に代えて第１シリンドリカルレンズ１１４及び第２シリンドリカルレンズ１１６を備えている点にある。なお、第１シリンドリカルレンズ１１４及び第２シリンドリカルレンズ１１６を採用したことに伴う変更点以外については、上述した第１実施形態と同様なので、ここでの説明を省略する。第１シリンドリカルレンズ１１４と第２シリンドリカルレンズ１１６は、本発明における光束整形部に相当する。
【００２５】
図６（ａ）は、ｙ’−ｚ’平面での光路断面の模式図を示しており、図６（ｂ）は、ｘ’−ｚ’平面での光路断面の模式図を示している。図６に示すように、第１シリンドリカルレンズ１１４と第２シリンドリカルレンズ１１６は、光源１００から出射された光が第１シリンドリカルレンズ１１４、第２シリンドリカルレンズ１１６の順に通過して平行光束されて、偏光ビームスプリッタ１２０に入射するよう配置される。
【００２６】
一般に、シリンドリカルレンズは光を一軸方向にのみ集束させる特性を有する。第１シリンドリカルレンズ１１４は、光源１００から放射状に出射される光を、ｙ’軸方向について集束させ、ｙ’軸方向に関して平行な光束とする。また、第２シリンドリカルレンズ１１６は、第１シリンドリカルレンズ１１４を通過した光束を、さらにｘ’軸方向について集束させ、ｘ’軸方向についても平行とし、全体として平行光束とする。ここで、光源１００からの出射光は、第１シリンドリカルレンズ１１４、第２シリンドリカルレンズ１１６の順に通過する構成により、第１シリンドリカルレンズ１１４によってｙ’軸方向について平行となった後もｘ’軸方向については第２シリンドリカルレンズ１１６を通過するまで拡散を続けるので、第２シリンドリカルレンズ１１６を通過して偏光ビームスプリッタ１２０に入射する平行光束は、ｘ’軸方向の幅がｙ’軸方向の幅よりも大きい断面形状となる。
【００２７】
平行光束は、偏光ビームスプリッタ１２０により二光線に分けられ、入射側ミラー１３０Ａ及び１３０Ｂを経て、スケール１４０上の回折格子に入射する。その結果、スケール１４０上に二光線の光束が投影される領域である読取領域の形状は、第１シリンドリカルレンズ１１４及び第２シリンドリカルレンズ１１６を通過した光束の断面形状を反映して、それぞれ測長方向と平行なｘ軸方向の幅が測長方向と垂直なｙ軸方向の幅よりも大きくなる。
【００２８】
上述のように光束を整形することにより、第１実施形態と同様、ｙ軸方向の光束の幅を縮小することで干渉縞の影響を抑え、スケール１４０と検出器１０のｚ軸回りの回転方向の取付許容を拡げることができる。同時に、ｘ軸方向の光束の幅を拡大することで、受光素子１９０Ａ、１９０Ｂに入射して検出に寄与する総受光量を、コントラストに影響を与えることなく確保することができる。また、第１実施形態では、光源１００から出射された光のうち開口板１１２の開口を通過しない光は検出に寄与できず無駄になってしまうのに対し、本実施形態では、光源１００から出射された光を無駄なく検出に利用することができる。
【００２９】
〔実施形態の変形〕
なお、本発明は、上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。例えば、上記の各実施形態では、透過型の光回折干渉方式の光電式エンコーダを例に説明したが、本発明は反射型の光回折干渉方式の光電式エンコーダにも同様に適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
以上のように、本発明は、光回折干渉方式の光電式エンコーダに好適に利用できる。
【符号の説明】
【００３１】
１、１ａ、            光電式エンコーダ
１０                  検出器
１００                光源
１１０                コリメートレンズ
１１２                開口板
１１４                第１シリンドリカルレンズ
１１６                第２シリンドリカルレンズ
１２０                偏光ビームスプリッタ
１３０Ａ、１３０Ｂ    入射側ミラー
１４０                スケール
１５０Ａ、１５０Ｂ    出射側ミラー
１６０                無偏光ビームスプリッタ
１７０                １／４波長板
１８０Ａ、１８０Ｂ    偏光板
１９０Ａ、１９０Ｂ    受光素子
【図１】
2015210101.tif 000003
【図２】
2015210101.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2015210101.tif 000011
【図１１】
2015210101.tif 000012
【図５】
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