(57)【要約】【課題】  照明光学系を大型化することなく高分解能化を図ることができる光学式エンコーダの提供。【解決手段】  光源１からガラスブロック２に垂直入射したビーム６は、ガラスブロック２を透過して分離素子である回折格子３に入射する。ビーム６が入射した回折格子３からは、±１次回折光であるビーム７，８がガラスブロック２方向に出射される。ビーム７，８はガラスブロック２内に入射した後に、上面２０および下面２１により多重反射されて端面２２，２３方向に伝播する。端面２２，２３で反射されたビーム７，８はガラスブロック２を出射して、回折格子４のほぼ同一位置に入射する。回折格子４で回折されたビーム７，８は互いに重ね合わされ、干渉光９として受光素子５により検出される。【選択図】        図１
2005114406.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動物体に固定された回折格子と、
光束を出射する光源と、
前記光束を２つの光束に分離する分離手段と、
前記２つの光束をそれぞれ前記回折格子の移動方向と前記移動方向と反対の方向とに導いた後に反射させ、前記回折格子に照射するガラス部材からなる照射手段と、
前記２つの光束が前記回折格子で回折されて生じる干渉光を検出する検出器とを備えたことを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項２】
請求項１に記載の光学式エンコーダにおいて、
前記照射手段は、前記回折格子の移動方向に２つの端面を有し、
前記２つの光束を内部反射で前記２つの端面に導き、前記２つの光束は前記２つの端面でそれぞれ反射して前記回折格子に照射することを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項３】
請求項２に記載の光学式エンコーダにおいて、
前記ガラス部材は直方体であることを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項４】
請求項２または３に記載の光学式エンコーダにおいて、
前記２つの光束の前記回折格子への入射角に応じて、前記各端面の面の方向を設定することを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の光学式エンコーダにおいて、
前記分離手段を前記照射手段と前記回折格子との間に設けたことを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項６】
請求項２〜５のいずれかに記載の光学式エンコーダにおいて、
前記直方体ガラス部材の内部反射面および前記各端面を、前記各光束が前記回折格子上に集光するような形状にしたことを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項７】
請求項３〜６のいずれかに記載の光学式エンコーダにおいて、
前記直方体ガラス部材に、前記光束を２つの光束に分離する分離手段を形成したことを特徴とする光学式エンコーダ。
【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学式エンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の光学式エンコーダでは、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）。３格子型エンコーダでは、第１の回折格子で得られた±１次回折光をそれぞれ第２の回折格子で回折して、第３の回折格子の同一位置に入射させる。２つのビームは第３の回折格子で回折されて互いに重ね合わされ、一つの干渉光として出射される。一般的に第３の回折格子は移動スケールとして可動体に固定されており、干渉光を検出することにより第３の回折格子の変位を検出するようにしている。
【０００３】
回折干渉型の光学式エンコーダにおいて高分解能を得ようとした場合、移動スケールである第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。一方、回折光の回折角度は格子ピッチに依存しており、格子ピッチを細かくするほど回折角度が大きくなる。そして、回折角度を大きくするためには、第３の回折格子の格子ピッチを細かくするだけでなく、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を大きくする必要があった。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−８１９６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、第３の回折格子への入射角を大きくするためには、照明光学系を含む光学系の構成が大きくする必要があり、構成が大きくなるほど温度変化などの環境変化や外乱に対する不安定要素が増加するという欠点があった。本発明は、照明光学系を大型化することなく、高分解能化を図ることのできる光学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】
【０００６】
請求項１の発明による光学式エンコーダは、可動物体に固定された回折格子と、光束を出射する光源と、光束を２つの光束に分離する分離手段と、２つの光束をそれぞれ回折格子の移動方向と移動方向と反対の方向とに導いた後に反射させ、回折格子に照射するガラス部材からなる照射手段と、２つの光束が回折格子で回折されて生じる干渉光を検出する検出器とを備えたことを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載の光学式エンコーダにおいて、照射手段は、回折格子の移動方向に２つの端面を有し、２つの光束を内部反射で２つの端面に導き、２つの光束は２つの端面でそれぞれ反射して回折格子に照射するようにしたものである。
請求項３の発明は、請求項２に記載の光学式エンコーダにおいて、ガラス部材は直方体である。
請求項４の発明は、請求項２または３に記載の光学式エンコーダにおいて、２つの光束の回折格子への入射角に応じて、各端面の面の方向を設定するようにしたものである。
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の光学式エンコーダにおいて、分離手段を照射手段と回折格子との間に設けたものである。
請求項６の発明は、請求項２〜５のいずれかに記載の光学式エンコーダにおいて、直方体ガラス部材の内部反射面および各端面を、各光束を回折格子上に集光するような形状にしたものである。
請求項７の発明は、請求項３〜６のいずれかに記載の光学式エンコーダにおいて、直方体ガラス部材に光束を２つの光束に分離する分離手段を形成したものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、照明光学系を大型化することなく高分解能な光学式エンコーダを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態を説明する。
−第１の実施の形態−
図１は、本発明による光学式エンコーダの基本構成を示す図である。図１に示す光学式エンコーダは照明光学系に直方体形状のガラスブロック２を用いたものであり、光源１，回折格子３，回折格子４および受光素子５を備えている。回折格子３は反射型の回折格子で、回折格子４は透過型の回折格子であるが、いずれの回折格子も同一ピッチに設定されている。光源１，ガラスブロック２，回折格子３および受光素子５は相互の位置関係が固定されている。一方、回折格子４は可動体（不図示）に設けられる移動スケールであり、可動体の動作に伴って上述したガラスブロック２や回折格子３等に対して図１のｘ方向に移動する。
【０００９】
光源１にはレーザ光源や発光ダイオード（ＬＥＤ）などが用いられ、光源１からはコリメートレンズにより平行光束とされたビーム６が出射される。ビーム６はガラスブロック２の上面２０に入射し、ガラスブロック２内を透過した後に、ガラスブロック２の底面２１から出射されて回折格子３に入射する。
【００１０】
ビーム６が入射した回折格子３からは、＋１次回折光であるビーム７と−１次回折光であるビーム８とがガラスブロック２の方向に角度θ，−θで出射される。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。ここで、入射ビームの入射角をα、波長をλ、格子ピッチをＰとすると、ｎ次光の回折角度θは次式（１）で表される。
sinθ＝（ｎλ／Ｐ）−sinα    …（１）
【００１１】
各ビーム７，８はガラスブロック２の底面２１に対して斜めに入射するので界面で屈折し、ガラスブロック２の内部に入射する。なお、図１ではガラスブロック２との間に隙間を設けて回折格子３を配置したが、回折格子３をガラスブロック２の底面２１に密着させて配置しても良い。ガラスブロック２内に入射したビーム７はガラスブロック２の上下面２０，２１によって多重反射され、ガラスブロック２内をｘ軸正方向に伝播し、反射面の最終段である端面２２に達する。そして、端面２２で反射されたビーム７は、底面２１から出射されて回折格子４に入射する。
【００１２】
一方、ガラスブロック２内に入射したビーム８は、多重反射によりガラスブロック２内をｘ軸負方向に伝播し、他方の端面２３で反射された後に底面２１から出射され、回折格子４に入射する。なお、ガラスブロック２においては、上下面２０，２１の一部に反射コーティングを施したり、または、内部を伝播するビーム７，８が全反射となるようなビーム角に設定することにより、多重反射を可能にしている。
【００１３】
回折格子４に入射したビーム７，８はそれぞれ±１次の回折を受けて再び重ね合わされ、干渉光９となって受光素子５に入射する。受光素子５は干渉光９の強弱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、可動体設けられた回折格子４のｘ方向の変位を検出することができる。
【００１４】
なお、図１では回折格子４を透過型としたが、図２のように回折格子４を反射型とし、回折格子４の反射方向へ受光素子５を配置することで、反射型の光学式エンコーダとして構成することも可能である。
【００１５】
図３は、比較例として、ガラスブロックを用いない３格子型の光学式エンコーダを示したものである。回折格子１０１，１０２，１０３はいずれも透過型回折格子であり、回折格子１０１，１０３の格子ピッチは等しく、回折格子１０２の格子ピッチは回折格子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、回折格子１０１は回折格子３に対応し、回折格子１０３は移動格子である回折格子４に対応している。
【００１６】
光源１００から出射されたビーム１０４は回折格子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はそれぞれ回折格子１０２により回折されて、３番目の回折格子１０３に入射する。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され、干渉光１０７となって受光素子１０８に入射する。
【００１７】
図３において、回折格子１０３への入射角を大きくするためには、回折格子１０１と回折格子１０２との間隔を大きくしたり、回折格子１０２自体を大きくする必要がある。そのため、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。
【００１８】
一方、図１の装置の場合には、回折格子３からのビーム７，８をガラスブロック２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、ビーム間隔を大きくするようにしている。そのため、多重反射の回数を多くするほど、ガラスブロック２の厚さ（ｚ方向寸法）をより小さくすることができる。このｚ方向寸法は、ビーム７，８を反射するのに十分な大きさの端面２２，２３が確保できる厚さまで薄くすることができる。そのため、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。
【００１９】
なお、図１では、分離手段である回折格子３をガラスブロック２と回折格子４との間に配設しているが、ガラスブロック２と光源１との間に配設しても良い。ただし、図１のように回折格子３をガラスブロック２と回折格子４との間に配設することにより、装置全体のｚ方向寸法をより小さくすることができる。
【００２０】
また、図３の装置の場合、光路長差や照明方向等については回折格子１０１，１０２の相互の位置関係に依存しているので、それらの位置出し調整箇所が複数箇所存在することから、調整が煩雑となりやすい。一方、図１の装置では、ビーム７，８の光路長差や照明方向などはガラスブロック２の寸法精度に大きく依存している。しかし、ガラスブロック２は直方体形状であるため加工精度が出しやすく、寸法精度不全による不具合を回避でき、調整工数を削減することができる。さらに、回折格子３とガラスブロック２とを密着させることにより、相互の位置関係が外乱等により変化して調整ずれが生じたりするのを防止することができる。
【００２１】
［変形例１］
図４に示す装置では、ガラスブロック２の端面２２，２３を角度βだけ傾斜させている。反射面の最終段である端面２２，２３を傾斜させると、回折格子３の格子ピッチを変更しなくても回折格子４に入射するビーム７，８の入射角αが変化する。図４において、破線は端面２２，２３が垂直である場合（図１の場合）のビーム７，８の光路を示したものである。
【００２２】
端面２２，２３を図４のように傾斜させると、入射角αは端面２２，２３が垂直の場合の入射角α０よりも大きくなる。すなわち、回折格子４の回折角度に対応させて照射角度を自由に設定することができる。その場合、ガラスブロック２の端面２２，２３の傾斜角度を変更するだけなので、照射光学系が大型化したりすることがない。
【００２３】
［変形例２］
また、図５に示すガラスブロック２のように、端面２２，２３の傾斜角をそれぞれ異なった角度に設定することにより、ビーム７，８の重ね合わせ位置を光学系の中心位置４ａ以外の位置に設定することができる。そのように設定することにより、ビーム７，８の間に光路長差を与えることが可能となる。図５に示す例では、端面２２の傾斜角をβ＝０（deg）、端面２３の傾斜角をβ＞０とすることにより、重ね合わせ位置を中心位置４ａよりも右側に移動させている。
【００２４】
［変形例３］
図６は第３の変形例を示したものであり、ガラスブロック２の端面２２，２３を曲面としたものである。端面２２，２３の曲面形状は円柱側面形状を成しており、端面２２，２３で反射されたビーム７，８はｙ軸方向に関して集光され、回折格子４上ではｘ軸方向に細長い線状の光束となる。ビーム７，８が重ね合わされた干渉光９は、いったん集光されたビームが再びｙ軸方向に拡がりながら受光素子１０の方向に進行する。
【００２５】
このように、ガラスブロック２から出射後のビーム７，８の断面形状が線状となって、回折格子４の刻線延在方向（ｙ方向）に関してビーム幅が非常に狭くなっている場合には、回折格子３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。一方、図３のような装置の場合にビーム７，８を集光するためには、集光用のレンズを追加する必要があり、装置がさらに大型化してしまう。
【００２６】
一方、図６に示した装置ではガラスブロック２の端面２２，２３の形状を変更するだけなので、光学系の大型化が避けられる。なお、図６に示す例では、端面２２，２３だけでビーム７，８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するように構成しても良い。
【００２７】
−第２の実施の形態−
図７は本発明による光学式エンコーダの第２の実施の形態を示す図である。上述した第１の実施の形態では、回折格子３を別に設けて光束を２つのビーム７，８に分離したが、図７に示す装置では、ガラスブロック３２の上面３２０に分離素子３２１を形成した。すなわち、分離素子３２１は上面３２０に刻線を形成して回折格子としたものであり、ガラスブロック３２は、上述したガラスブロック２および回折格子３の機能を兼ね備えている。
【００２８】
光源１からのビーム６が分離素子３２１に入射すると、＋１次回折光であるビーム７と、−１次回折光であるビーム８とが発生する。ビーム７，８はガラスブロック３２の下面３２２および上面３２０により多重反射され、ビーム７は最終段の反射面である端面３２３で反射されてガラスブロック３２の下面３２２から出射する。一方、ビーム８は下面３２２および上面３２０により多重反射された後に、端面３２４で反射されてガラスブロック３２の下面３２２から出射する。第１の実施の形態の場合と同様に、ビーム７，８は回折格子４に入射し、回折によって重ね合わされる干渉光９となって受光素子１０により検出される。
【００２９】
第２の実施の形態の場合には回折格子３が不要となるため、第１の実施の形態に比べてさらに光学系の小型化を図ることができる。また、光学部品の点数が減少するので光学系の調整要素が減り、システムの安定化に寄与する。なお、図７に示す例では分離素子３２１をガラスブロック３２の上面３２０に形成したが、下面３２２に形成しても良い。また、ガラスブロック３２の端面３２３，３２４を、図５や図６に示すガラスブロック２の端面２２，２３のような形状としても良く、同様の効果を得ることができる。
【００３０】
以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、回折格子４は請求項１の回折格子を、ガラスブロック２，３２は照射手段を、受光素子５，１０は検出器をそれぞれ構成する。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明による光学式エンコーダの第１の実施の形態を示す図である。
【図２】第１の実施の形態を反射型で構成した場合を示す図である。
【図３】比較例としての３格子型光学式エンコーダを示す図である。
【図４】第１の変形例を示す図である。
【図５】第２の変形例を示す図である。
【図６】第３の変形例を示す図である。
【図７】本発明による光学式エンコーダの第２の実施の形態を示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
１，１００  光源
２，３２  ガラスブロック
３，４，１０１〜１０３  回折格子
５，１０，１０８  受光素子
６〜８，１０４〜１０６  ビーム
９，１０７  干渉光
２２，２３，３２３，３２４  端面
３２１  分離素子
【図１】
2005114406.tif 000003
【図２】
2005114406.tif 000004
【図３】
2005114406.tif 000005
【図４】
2005114406.tif 000006
【図５】
2005114406.tif 000007
【図６】
2005114406.tif 000008
【図７】
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