(57)【要約】【課題】反射型エンコーダに於いて、コードホイールの回折格子ピッチが狭くなっても、レーザー光発信部と狭ピッチに実装された受光部に確実に照射されるエンコーダを提供する。【解決手段】レーザー発振器及び受光部を取り付けたサブマウントと反射型回折格子を設けたコードホイールとの間に、当該反射型回折格子と同ピッチの透過型回折格子を有する干渉光学系を挟むことで、前記コードホイールを介して戻ってくる再入射光を前記受光部へと確実に照射することが可能となる。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平行移動可能な回折格子と、当該回折格子と対向配置したレーザー発振器及び受光部と、の間に干渉光学系を挟んだ反射型エンコーダであって、
当該干渉光学系が、前記回折格子と同ピッチの透過型回折格子を有している反射型エンコーダ。
【請求項２】
コードホイール上にピッチ１０μｍ以下の回折格子が形成された反射型エンコーダであって、
光源から受光素子までの光路のうち、受光素子と平行な面内に於ける距離が最も遠い地点同士の距離Ｐ［μｍ］に対する電気的逓倍処理を施す前のエンコーダの分解能Ｒ［ＬＰＩ］の比率Ｆ（＝Ｒ／Ｐ）が５乃至３０の範囲にある反射型エンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コードホイールの移動に伴い、当該コードホイールからの反射光を受光部が受けてコードホイールの変位を測定する小形の反射型エンコーダに関する。
【０００２】
現在、産業用ロボット等に搭載されているステッピングモータ及びリニアアクチュエータには、高精度での位置決めを可能にするため、小形、高分解能のエンコーダが複数搭載されている。この様なエンコーダの中で、小型化が容易なものとして反射型エンコーダがあり、代表的な構造として特開平０８−２５０８１３（以下特許文献１として記載）及び特許４８６９６４１号（以下特許文献２として記載）がそれぞれ出願後、公開及び登録されている。
【０００３】
これら２件のうち、特許文献１記載のエンコーダは、１／４波長板を介して光源のレーザーを円偏光に変換した後、非干渉性の光を反射するコードホイールによって変位信号を受光素子に照射することをその技術的特徴としており、戻り光の影響を受けること無く安定した出力を維持することを可能にしている。また、特許文献２記載のエンコーダは、光透過性樹脂によるパッケージ内で全反射される出射光の一部を受光部外側のみに入射させることをその技術的特徴としており、受光部から出力される信号の飽和を防ぐと共に、出力信号のＤＣ成分の最適化という効果を得ている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０８−２５０８１３号公報
【特許文献２】特許４８６９６４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した効果を有している一方で、上記従来の発明はその構造上、更なる小型化が要求された際に、精度を維持しつつ小型化することが難しいという課題を有していた。即ち、特許文献１記載のエンコーダはその構造上、小型化に際して、コードホイールに用いるミラーのピッチと出射光側のレーザー径とを共に小型化する必要がある。加えて、分解能を高めるためにピッチを狭めると、受光部に照射される光はコードホイールの反射及び透過による波形に加え、コードホイールの回折による影響を受ける。これにより、当該ピッチの微細化に際して、特許文献１記載の構造は出力振幅が平均化されて減少し、回転数の検出が困難になる。
【０００６】
また、特許文献２記載のエンコーダは干渉縞の明暗をアナログ値として取得する反面、出射光の一部を受光部に入射しなければならない。この為、分解能を高めるためにピッチを狭めた際には回折角が広くなり、発光素子と受光素子との距離を狭めることが難しい。
【０００７】
上記課題に対して本願記載の発明では、簡単な構成により小型化が容易で、高精度な反射型エンコーダの提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的のために本願に於ける第１の態様は、コードホイールに反射型回折格子を設け、当該コードホイールと、レーザー発振器及び受光部と、の間に干渉光学系を挟んだ反射型エンコーダを基本構造として用いている。また、当該干渉光学系に前記回折格子と同ピッチの透過型回折格子を設けたことをその技術的特徴としている。
【０００９】
更に、本願に於ける第２の態様では、コードホイール上にピッチ１０μｍ以下の回折格子が形成された反射型エンコーダをその基本構造として用いている。加えて、光源から受光素子までの光路のうち、受光素子と平行な面内に於ける距離が最も遠い地点同士の距離Ｐ［μｍ］に対する電気的逓倍処理を施す前のエンコーダの分解能Ｒ［ＬＰＩ］の比率Ｆ（＝Ｒ／Ｐ）が５乃至３０の範囲としたことをその技術的特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
上述した技術的特徴によって本願記載の発明は、前記コードホイールの回折格子ピッチが狭くなっても、当該コードホイールに設けられた反射型回折格子からの信号が前記受光部に対して確実に照射されるエンコーダを提供することができる。これは、反射型エンコーダに於いて、コードホイールと、レーザー発振器及び受光部と、の間に干渉光学系を挟み、当該コードホイールと干渉光学系とに設けた回折格子のピッチを揃えた事による効果となっている。即ち、本願記載の反射型エンコーダは、前記干渉光学系を挟むことでレーザー発振器から出射された出射光から参照光を分割し、前記反射型回折格子から当該干渉光学系内へ入射される再入射光と干渉させることを可能にしている。この為、当該干渉光学系に設けた透過型回折格子と前記反射型回折格子とのピッチを揃えることで、前記再入射光の角度を前記出射光と揃え、前記ピッチを狭めた際に生じる回折角の広がりに対応することができる。また、当該回折角の広がりに対応して、前記レーザー発振器と受光部とを集積し、前記干渉させた光を受光部へと照射させることで、光路も含めたエンコーダ全体の小型化とピッチを狭めることによるエンコーダの分解能向上とを同時に行うことが可能となる。
【００１１】
また、上記構成とすることによって本願記載の発明は、エンコーダの光学系を簡素化する事ができる。これは、前記干渉光学系内に於いて、再入射光と出射光の光路を互いに平行な状態に設定したことによる効果となっている。即ち、本願記載のエンコーダに於いて、平面方向の投影面積は、前記再入射光の最終的な照射位置と出射光の出射位置とによって決定される。この為、前記再入射光と出射光の光路を平行にすることで、前記干渉光学系からコードホイールへの入射角を垂直に設定し、レーザー発振器と受光部とをコードホイールに対して平行に設置できると共に、使用する光学部品の点数を抑えて光学系を簡素化し、前記投影面積を最小にすることが可能となる。加えて、当該効果の付与によって、前記レーザー発振器と受光部等、各種光学部品の更なる小型化に際しても、光路を変更することなく対応することができる。
【００１２】
更に、本願記載の発明では、前記再入射光と出射光の光路を互いに平行な状態に設定したことで、反射型回折格子からの反射光を２本として使用することができる。より具体的には、前記再入射光の光路を出射光に対して対称形状に構成し、単一の前記反射型回折格子から２系統の出力を得ることが可能となる。この為、前記２系統の再入射光に位相差を設けることで当該２系統の各受光部信号に差異を生じさせ、変位方向の検出を容易に行うことができる。
【００１３】
また、本願第２の態様を用いることで、前記小型化されていくエンコーダについて、コードホイール上の回折格子ピッチを１０μｍ以下として高精度化した場合のエンコーダ全体の寸法と分解能とを最適な値に保つことができる。より具体的には、１０μｍ以下のピッチを形成する回折格子の使用に際して、当該ピッチの高精度化に伴い拡大する回折角に対応した光学系を構成し、受光素子−光源間の距離と当該ピッチに起因する分解能を規定することで、エンコーダの小型化と分解能の向上とを両立することができる。加えて、使用する光源の波長と同程度となる１０μｍ以下のピッチを形成する回折格子の微細加工に対して、当該微細加工による効果を最大限発揮させることが可能となっている。
【００１４】
更に、本態様では、受光素子−光源間の距離によって前記エンコーダ全体の寸法を規定している。この為、同一のコードホイールを用いて多チャンネル化されたエンコーダに対しても、複数の受光部を設けたエンコーダとして前記効果を付与することができる。尚、本態様に於いて用いる受光部は同一のエンコーダで用いることを前提としており、受光部が照射される信号の種類については制限されない。
【００１５】
以上述べたように、本願請求項記載の構造を用いることによってコードホイールの回折格子ピッチが狭くなっても、レーザー光発信部と狭ピッチに実装された受光部に確実に照射されるエンコーダを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に於いて用いる反射型エンコーダの透過斜視図
【図２】図１に於いて示した反射型エンコーダの光路を示す説明図
【図３】図１に於いて示した反射型エンコーダの基本光路を示す説明図
【図４】図１に於いて示した反射型エンコーダの基本原理を示す側面図
【図５】図１に於いて示した反射型エンコーダのモニタ信号に関わる光路を示す説明図
【図６】図１に於いて示した反射型エンコーダの原点信号に関わる光路を示す説明図
【図７】図５及び図６に於いて示した各信号の原理を示す側面図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、図１、図２、図３、図４、図５、図６及び図７を用いて、本発明に於ける最良の実施形態を示す。尚、図中の記号及び部品番号について、同じ部品として機能するものには共通の記号又は番号を付与している。
【００１８】
図１に本実施形態に於いて用いる反射型エンコーダの透過斜視図を、図２に同エンコーダで使用する光路を、図３に同基本光路を、図４に同基本光路の原理を示す側面図を、図５に同エンコーダのモニタ信号に関わる光路を、図６に同エンコーダの原点信号に関わる光路を、そして図７に図５及び図６に於いて示した光路の側面図をそれぞれ示す。尚、各素子の回路、回転体として機能するコードホイール９、エンコーダ全体の支持構造及び、コードホイール上に設けた反射型回折格子４の全体については、図中での記載を省略している。
【００１９】
図１及び図２から解るように、本実施形態ではレーザー発振器となる半導体レーザー１から出射された出射光を干渉光学系１０を介してコードホイール９へと入射させ、当該コードホイールから干渉光学系への再入射光及び干渉光学系内のみで反射させたモニタ信号を半導体レーザーの周囲に設けた受光部７ａ、７ｂ、７ｃ及び７ｄへと照射している。ここで、本実施形態にて用いる反射型回折格子４及び透過型回折格子３ｂ、３ｃのピッチは共に１０μｍ以下となっている。また、半導体レーザー１に対して等距離に配置された各受光部７ａ、７ｂ、７ｃ及び７ｄについて、本実施形態に於ける半導体レーザーと各受光部との間の光路間距離Ｐ［μｍ］とエンコーダの分解能Ｒ［ＬＰＩ］との比率Ｆ（＝Ｒ／Ｐ）は５〜３０の間に設定されている。尚、反射型回折格子４は円環状に形成されており、図中ではその一部のみを記載している。
【００２０】
この様な構造を用いたことで本実施形態記載のエンコーダは、半導体レーザー１のみを光源とした部品構成でありながら、コードホイール９の変位、移動量、回転数及び当該発振器の動作信号といった複数の信号出力を可能としている。また、前記比率の設定によって底部を構成するレーザー発振器及び受光部の平面配置を規定し、エンコーダの分解能Ｒに対する値として用いたことで、小型化と分解能の向上とを両立したエンコーダを得ることができた。
【００２１】
また、図３及び図４から解るように、本実施形態では透過型回折格子３ａを用いて半導体レーザー１の出射光から参照光ｅ１、ｅ２を分割し、当該出射光を反射型回折格子４へと入射させている。反射型回折格子４は、当該回折格子から干渉光学系１０へ入射する２本の再入射光と前記各参照光ｅ１、ｅ２とを干渉光学系内にて干渉させ、受光部７ａ、７ｂに照射させることで、各受光部から反射型回折格子４の変位情報を取得することができる。また、前記２本の再入射光のうち一方に位相シフタ５を用いたことで、前記２つの受光部間に於ける出力波形をずらし、当該出力信号間の差異から変位方向を検出することが可能となった。
【００２２】
上述した基本構造に於いて、本実施形態では反射型回折格子４と干渉光学系１０に設けた透過型回折格子３ｂ及び３ｃのピッチを揃えた構成を用いている。この為、当該基本構造に於いて用いる干渉光学系内の再入射光と出射光とを互いに平行な状態とし、エンコーダの光学系を簡素化すると共に、半導体レーザー１と受光部７ａ、７ｂをコードホイール９に対して平行に設置することができた。また、前記ピッチによって受光部７ａ、７ｂへの照射角を垂直としたことで、当該受光部への照射を確実に行うことができると共に、加工精度の向上に伴いピッチを狭めた際に生じる回折角の広がりに対して、半導体レーザー１と受光部との集積化を可能とし、光路も含めたエンコーダ全体の小型化と当該ピッチによるエンコーダの分解能向上とを同時に行うことができた。
【００２３】
上述した効果に加えて、図５に示すように、本実施形態では干渉光学系内にて前記参照光とは別の光路を分割し、反射体６ｂを用いて受光部７ｃへと照射している。この為、前記小型化されていく構造に於いて、半導体レーザー１の動作状況を確認するモニタ信号を受光部７ｃから出力させることができた。また、図６に示すように、本実施形態では前記再入射光とは別に、干渉光学系１０からコードホイール９への入射光について、反射体６ａを介して受光部７ｄへと照射する構造を用いている。この為、当該信号の有無を原点信号としてコードホイール９の回転数を取得し、上述した各信号と併せてエンコーダの動作を検出することができる。尚、図７に示すように、本光路ではレーザー発振器−各受光部の光路間距離Ｐを、図２に示した光路間距離と揃えた構成を用いている。
【００２４】
また、本実施形態では半導体レーザー１及び各受光部７ａ、７ｂ、７ｃ及び７ｄを共通のサブマウント８に設けた構造を用いている。この為、前記小型化に伴い要求される干渉光学系との位置決めに関して、サブマウント上での位置決めを高精度で行った後、サブマウント８−干渉光学系１０間の調整により一括して行うことが可能となっている。
【００２５】
以上述べたように、本願実施形態記載の構造を用いることによって、コードホイールの回折格子ピッチが狭くなっても、レーザー光発信部と狭ピッチに実装された受光部に確実に照射されるエンコーダを提供することができた。
【符号の説明】
【００２６】
１                      半導体レーザー
２                      レンズ
３ａ、３ｂ、３ｃ        透過型回折格子
４                      反射型回折格子
５                      位相シフタ
６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ  反射体
７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ  受光部
８                      サブマウント
９                      コードホイール
１０                      干渉光学系
１１                      基板
１２                      スペーサ
ｅ１、ｅ２              参照光
【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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【図７】
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