(57)【要約】【課題】小型薄型高分解能エンコーダにおいて小型薄型を損なうことなくスケール部と検出ヘッド部とが分離可能な構成で、複雑なアライメント調整作業を軽減し、かつ原点検出光学系を付加することが可能な格子干渉型エンコーダの実現する。【解決手段】相対移動する回折格子に向けて可干渉光を照射することで２つの異なる次数の回折光を発生させる照明光学系と、前記回折格子から発生した前記２つの異なる次数の回折光束について偏向手段を通して前記回折格子に再照射させる円弧状格子と、前記回折格子に再照射された前記回折光を再回折されて発生した再回折光同士を重ね合わせて受光素子に導光する導光手段とを備えた格子干渉型光学式エンコーダにおいて、前記回折格子と前記受光素子との間に前記重ね合わせられた再回折光束を複数の光束に分割する位相格子と、該位相格子によって分割された回折光束に対応してそれぞれ異なる偏向方向の線偏向素子を備えた。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対移動する回折格子に向けて可干渉光を照射することで２つの異なる次数の回折光を発生させる照明光学系と、
前記回折格子から発生した前記２つの異なる次数の回折光束について偏向手段を通して前記回折格子に再照射させる円弧状格子と、
前記回折格子に再照射された前記回折光を再回折されて発生した再回折光同士を重ね合わせて受光素子に導光する導光手段とを備えた格子干渉型光学式エンコーダにおいて、
前記回折格子と前記受光素子との間に前記重ね合わせられた再回折光束を複数の光束に分割する位相格子と、該位相格子によって分割された回折光束に対応してそれぞれ異なる偏向方向の線偏向素子を備えたことを特徴とする格子干渉型光学式エンコーダ。
【請求項２】
前記円弧状格子は反射型回折格子であることを特徴とする請求項１の格子干渉型光学式エンコーダ。
【請求項３】
相対移動する回折格子に向けて可干渉光束を照射することで２つの異なる次数の回折光を発生させる照明光学系と、
前記回折格子から発生した前記２つの異なる次数の回折光について偏向手段を通して前記回折格子に再照射させる円弧状格子と、
前記回折格子に再照射された前記回折光を再回折されて発生した再回折光同士を重ね合わせて受光素子に導光する導光手段とを備えた格子干渉型光学式エンコーダにおいて、
前記相対移動する回折格子と一体の基板上で前記回折格子の近傍に構成した原点検出パターンと、前記可干渉光束の一部を偏向して前記原点パターン上に導光する光束分離素子と、前記原点検出パターンによって光学変調された反射回折光束をのみを検出する原点信号検出手段とを備えたことを特徴とする格子干渉型光学式エンコーダ。
【請求項４】
前記光束分離素子は回折格子で、可干渉光束の一部を回折格子に点状集光または線状集光特性付与しつつ前記原点パターン上に導光する為の格子形状であることを特徴とする請求項３記載の格子干渉型光学式エンコーダ。
【請求項５】
前記光束分離素子は、前記円弧状格子と同一の基板上に構成したことを特徴とする請求項３記載の格子干渉型光学式エンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、産業用計測機械等にて採用されている、位置や角度情報を検出するためのエンコーダに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人は、これまで光の回折干渉現象を応用して、物体の位置や速度の変動を検出するいわゆる格子干渉型エンコーダを開発製造してきている。とくにミクロンオーダの微細スケールを採用し、該スケールにて回折された光束を２つ取り出して各々干渉させることで、幾何光学式エンコーダよりはるかに高分解能のエンコーダを提供している。これらのエンコーダは、２つの回折光の波面を合成し、干渉パターンを生成する構成を取っているが、干渉光学系であるがゆえに、各光学素子の加工、配置精度は非常に厳しいのが現状である。とくにスケール部と検出ヘッド部が分離したいわゆる組み込みタイプのエンコーダの場合は、ユーザがスケールと検出ヘッド部をモータやステージ等に装着しなければならず、そのアライメント調整作業における困難さが問題になっていた。また、実際の装置に装着した場合は、さらなる小型であることが要求されてきている。
【０００３】
また、より精密な計測制御を実現するにあたって、再現性のある原点位置計測が重要となってくる。従来は、格子干渉型エンコーダの回転軸と連結する回転機構のどこかに別途に原点だしセンサを構成して計測再現性を確保するのが一般的であった。
【０００４】
しかし、前記従来の技術では、高精度な格子干渉型エンコーダと機構の原点検出器との間が離れていたため、連結している機構の剛性やアッベの誤差により計測再現性を十分に補償することが難しく、適用する装置のコンパクト化や組込み調整作業に難点があった。この難点を克服し得る解決策として、出願人は取り付け時のアライメント誤差の影響を軽減する技術や格子干渉型エンコーダの被計測格子の近傍に原点だし用のパターンを構成させ、エンコーダ出力のほかに原点だし出力を提供する格子干渉型エンコーダを各種開示してきている。
【０００５】
しかし、当該検出器はより小型・高精度化、及び組込み容易性を追求するために更なる技術改良を必要としてきた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる方式等の小型薄型高分解能エンコーダにおいて小型薄型を損なうことなくスケール部と検出ヘッド部とが分離可能な構成で、複雑なアライメント調整作業を軽減し、かつ原点検出光学系を付加することが可能な格子干渉型エンコーダの実現を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を鑑みて相対移動する回折格子に向けて可干渉光を照射することで２つの異なる次数の回折光を発生させる照明光学系と、前記回折格子から発生した前記２つの異なる次数の回折光束について偏向手段を通して前記回折格子に再照射させる円弧状格子と、前記回折格子に再照射された前記回折光を再回折されて発生した再回折光同士を重ね合わせて受光素子に導光する導光手段とを備えた格子干渉型光学式エンコーダにおいて、前記回折格子と前記受光素子との間に前記重ね合わせられた再回折光束を複数の光束に分割する位相格子と、該位相格子によって分割された回折光束に対応してそれぞれ異なる偏向方向の線偏向素子を備えたことを特徴とする。
【０００８】
また、上記の格子干渉型光学式エンコーダにおいて、前記相対移動する回折格子と一体の基板上で前記回折格子の近傍に構成した原点検出パターンと、前記可干渉光束の一部を偏向して前記原点パターン上に導光する光束分離素子と、前記原点検出パターンによって光学変調された反射回折光束をのみを検出する原点信号検出手段とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、本出願において採用しているスケールと検出ヘッド部を分離配置可能な格子干渉型エンコーダ光学配置図である。半導体レーザ１から射出された光束Ｒは、部分透過部２ａを有するビームスプリッタ２を透過し、反射ミラー３を介して回折格子スケール４に照明され、反射回折光Ｒ＋，Ｒ−は、それぞれ円環状反射格子５ａ、５ｂ上に照明される。ここで回折格子スケール４上の格子４ａのピッチをＰ１とすると、円環状反射格子５ａ、５ｂのピッチＰ２は、
Ｐ２＝Ｐ１／２
の関係で設定してある。
【００１０】
円環状反射格子５ａ、５ｂは局所的に見ると格子ピッチＰ２の回折格子として作用し、元の方位へ回折され、スケール格子４の略同一位置に向けて照明され、再回折され、それぞれ光束を重ね合わせてビームスプリッタ２まで戻される。この光束は、それぞれビームスプリッタＢＳ２の裏面の反射回折格子２ｂにて半導体レーザと異なる方向へ取り出され、干渉光束として受光素子８にて検出される。なお、±１次回折光を使用した場合は、干渉の明暗周期はスケール格子の１ピッチ分の移動につき４周期である。
【００１１】
この実施例における格子干渉型エンコーダは、円弧状反射格子５ａ、５ｂの効果によって、光源の波長変動に対して光路ずれを補正する効果およびアライメント誤差に対して補正が働くので、スケール格子と検出ヘッドを分離したエンコ−ダでも取り付けが比較的容易になる。また、構成部品点数が非常に少ないので小型薄型化が可能である。
【００１２】
図２は、本発明の第１実施例に原点検出光学系を付加した光学配置図である。半導体レーザ１から射出された光束Ｒは、反射膜および部分透過窓２ａを有するビームスプリッタ２を透過し、反射ミラーＭおよび円弧格子素子基板の透過回折格子部５ｃに入射する。
【００１３】
まず、格子干渉を原理とするインクリメンタル信号の発生の光学系を説明する。該円弧格子素子基板の透過回折格子部５ｃを０次回折にて透過した光束は、回折格子スケール４に照明され、反射回折光Ｒ＋，Ｒ−は、それぞれの光路中に設けられた１／８波長板６ａ、６ｂを透過して、それぞれ円弧状反射格子５ａ、５ｂ上に照明される。ここで回折格子スケール４上の格子４ａのピッチをＰ１とすると、円弧状反射格子５ａ、５ｂのピッチＰ２は、
Ｐ２＝Ｐ１／２
の関係で設定してある。
【００１４】
円弧状反射格子５ａ、５ｂは、同心円の一部分からなる等ピッチの格子であるが、局所的に見ると格子ピッチＰ２の回折格子として作用し、元の方位へ回折され、前期１／８波長板６ａ、６ｂを透過してスケール格子４の略同一位置に向けて照明され、再回折され、それぞれ光束を重ね合わせてビームスプリッタ２まで戻される。この２つの再回折光束は、それぞれ光軸を重ねあって、さらに光学軸を９０度ずらして配置された１／８波長板６ａ、６ｂを往復透過しているので、互いに逆周りの円偏光光束となっていて、ベクトル的に偏光状態を合成すると、＋１次回折光と−１次回折光の位相差に応じて偏光面を回転させる直線偏光になっている。そして、ビームスプリッタ２にて反射面に記録された千鳥状位相格子２ｂにて反射回折され、４分割されて、それぞれの受光面の前面に異なる方位に各偏光素子７介して４分割受光素子アレイ８にて検出される。なお、±１次回折光を使用した場合は、干渉の明暗周期はスケール格子の１ピッチ分の移動につき４周期である。また、４つの受光素子から得られる明暗周期信号は正弦波でありそれぞれ互いに位相がずれている。前記偏光素子７の方位を互いに４５度づつ、ずらせば、９０度位相がずれる。
【００１５】
なお、本実施例では受光素子の数は４つであるが、通常は２つまたは３つあれば良いことは言うまでもない。
【００１６】
次に、原点信号検出の光学系を説明する。該円弧格子素子基板の透過回折格子部５ｃを１次回折にて透過した光束は、偏向されて、回折格子スケール４ａに隣接する原点トラック４ｂに照明され、原点パターンにより反射光量等が変調され、反射光は、原点用受光素子１０まで導光される。
【００１７】
原点用受光素子１０からは、反射光量の変化として出力され、２値化処理等により原点信号として出力される。
【００１８】
ここで、図２の該円弧格子素子基板の透過回折格子５ｃは、リニアラメラ回折格子であって、インクリメンタル信号検出用光束と分岐してそれぞれ使用するため、所定の分配比になるように、透過回折格子のピッチや段差等を設定してある。たとえば、透過回折格子の基板材料として石英（屈折率１．４５）を用い、波長７８０ｎｍの半導体レーザを光源として、約１２％の１次偏向光束を取り出す場合は、ラメラ回折格子の凹凸比率は１：１、段差は約０．３３μｍとすればよい。偏向角度は、透過回折格子への入射光束の角度および、透過回折格子のピッチで与えられる。
【００１９】
また、原点トラックのパターンが所定の方向への反射光量が変調する２値パターン（透過、反射のパターンや、回折反射、単純反射のパターン等）であって、境界部を高精度に検出する必要がある場合は、図３のように、透過格子５ｃの形状を偏芯フレネルレンズ等の形状のパターンにして原点トラック上で略点状集光されるように、集光特性を付与することができる。図４の実施例では、原点トラック上で線状集光されるように、双曲線格子を使用して、偏向特性と線状集光特性を２重に付与している。
【００２０】
以上説明したように、円弧状反射格子板の光学透過窓部にて適切な特性の透過回折格子を形成することで原点検出光束を偏向しながら所定の光量にて分離生成し、原点信号トラックに照明し、受光する光学系を付加することで、小型性、薄型性および元の格子干渉によるインクリメンタル信号の高分解能、取り付け誤差に寛容な性能を両立できることがわかる。
【００２１】
なお、原点検出用光束を分岐して取り出すために、円弧状反射格子板以外に別途用意しても良い。
【００２２】
本発明に記述された内容で以下の項目に関しては部分変更置き換えが可能である。
（１）  本実施例では、原点用受光素子までの光路にミラーが配置し、いったん反射してインクリメンタル信号検出受光素子と同一基板上の原点用受光素子まで導光されているが、ダイレクトに受光してもよい。
（２）  インクリメンタル検出光学系は、円弧状反射格子を使用したが、直線反射格子を使用した３格子干渉型光学系でも良い。
（３）  原点検出に反射光量の変調を使用したが、それ以外に、偏向による変調等の原理も使用できる。
（４）  スケール格子を円盤状のディスクとし、放射状格子を記録したものに変えること。（ロータリーエンコーダへの変更）
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、円弧状回折格子による３格子干渉光学系と相対移動する第１の回折格子から発生する再回折光を複数の光束に分割する位相格子と、分割された再回折光をそれぞれ偏向方向の異なる偏向板とを備え、当該偏向板を介して複数の再回折光を個別に検出するという構成を採用することで、相対移動する回折格子に対して片側に投光／受光系を構成することが可能になり、加えて円弧状回折格子と同一基板上にて原点検出光を分離生成する第２の回折格子を構成することができるようになった。これにより以下の効果が現れた。
（１）  平面状の光学素子に複数の機能を集積してあるので、部品点数が少なく小型化に向いている。
（２）  円弧状反射格子、透過格子はガラスエッチング等の同様のプロセスにより加工されるので量産性がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】円弧反射格子による本発明の実施例
【図２】本発明の第１実施例に原点検出光学系を備えた第２の実施例
【図３】分岐透過格子をフレネルレンズにした例
【図４】分岐透過格子を双曲線格子にした例
【符号の説明】
１  半導体レーザ
２  ビームスプリッター
３  ミラー
４  回折格子スケール
５  反射格子素子
６ａ、６ｂ  １／８波長板
７  偏光素子
８  ４分割受光素子アレイ
９  ミラー
１０  原点用受光素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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