JPH0427870A - エンコーダ - Google Patents
エンコーダInfo
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- JPH0427870A JPH0427870A JP13288190A JP13288190A JPH0427870A JP H0427870 A JPH0427870 A JP H0427870A JP 13288190 A JP13288190 A JP 13288190A JP 13288190 A JP13288190 A JP 13288190A JP H0427870 A JPH0427870 A JP H0427870A
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- Japan
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- encoder
- light
- scale
- diffraction grating
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
［産業上の利用分野］
本発明はロータリーエンコーダやリニアエンコーダ等の
エンコーダに関する。
エンコーダに関する。
Ｃ従来の技術］
従来のエンコーダの一例を第５図に示す。第５図はリニ
アスケール板や回転ディスクを有するエンコーダの構成
例である。
アスケール板や回転ディスクを有するエンコーダの構成
例である。
半導体レーザ等の可干渉性の光源１０１から射出した光
束はビームスプリッタ１０２によって２光束に分岐され
、リニアスケール板や回転ディスク板上に形成される変
位量計測用の回折格子１０３上の一点位置に重なって入
射する。
束はビームスプリッタ１０２によって２光束に分岐され
、リニアスケール板や回転ディスク板上に形成される変
位量計測用の回折格子１０３上の一点位置に重なって入
射する。
光束の入射によって回折格子１０３から反射光学系１０
４方向に発生する高次回折光、ここでは±１次回折光は
両者共に反射光学系１０４によフて反射して再び回折格
子１０３上の実質同一位置に再入射する。反射光学系１
０４は所謂キャッツアイ光学系を成している。これによ
って再入射によって発生する±１次の再回折光は実質的
に入射時と同一光路を戻る。
４方向に発生する高次回折光、ここでは±１次回折光は
両者共に反射光学系１０４によフて反射して再び回折格
子１０３上の実質同一位置に再入射する。反射光学系１
０４は所謂キャッツアイ光学系を成している。これによ
って再入射によって発生する±１次の再回折光は実質的
に入射時と同一光路を戻る。
さてここで、光源１０１として半導体レーザ等の波長変
動の起き易いものを使用した場合、温度変化等により光
源１０１からの光波長が変化してしまい、これに伴フて
回折格子１０３での回折角が変化し、反射光学系１０４
への入射光束が本来の光路からずれてしまう。ところが
反射光学系１０４にキャッツアイ光学系を用いて、ずれ
て入射した光束でも入射時と同一方向に戻すようになっ
ているため、測定値に悪影響を与えることが無い。すな
わちキャッツアイ光学系を使用することによって、光源
１０１の波長依存性を回避したシステムを構成している
。又、キャッツアイ光学系の代わりにコーナーキューブ
を用いても同様の作用が得られる。
動の起き易いものを使用した場合、温度変化等により光
源１０１からの光波長が変化してしまい、これに伴フて
回折格子１０３での回折角が変化し、反射光学系１０４
への入射光束が本来の光路からずれてしまう。ところが
反射光学系１０４にキャッツアイ光学系を用いて、ずれ
て入射した光束でも入射時と同一方向に戻すようになっ
ているため、測定値に悪影響を与えることが無い。すな
わちキャッツアイ光学系を使用することによって、光源
１０１の波長依存性を回避したシステムを構成している
。又、キャッツアイ光学系の代わりにコーナーキューブ
を用いても同様の作用が得られる。
この±１次の再回折光同志により形成された干渉光は、
偏向ビームスプリッタ１０４及び偏向板によって９０度
の位相差を持った２相の周期信号として光検出器１０６
及び１０７にて検出される。これらの光検出器１０６．
１０７で得られた検出信号はパルス出力回路１０８にて
検出分解能を高めるために内挿処理され、各信号の波形
のゼロクロス点を検出することで分割パルスを得て、こ
れを回折格子の変位に応じた検出パルスとして出力する
。こうして入射光束に対する回折格子の相対変位量（回
転量や移動量）に応じた数の検出パルスがパルス出力回
路１０８の出力端子から出力される。更には回転方向や
移動方向も検出される。
偏向ビームスプリッタ１０４及び偏向板によって９０度
の位相差を持った２相の周期信号として光検出器１０６
及び１０７にて検出される。これらの光検出器１０６．
１０７で得られた検出信号はパルス出力回路１０８にて
検出分解能を高めるために内挿処理され、各信号の波形
のゼロクロス点を検出することで分割パルスを得て、こ
れを回折格子の変位に応じた検出パルスとして出力する
。こうして入射光束に対する回折格子の相対変位量（回
転量や移動量）に応じた数の検出パルスがパルス出力回
路１０８の出力端子から出力される。更には回転方向や
移動方向も検出される。
［発明の目的コ
本発明は、キャッツアイ光学系等を使用しない簡素な構
成の、波長依存性の無い安定性の高い工［目的を達成す
るための手段］ 上記目的を達成する本発明のエンコーダは、移動する移
動スケールと、光源と、該光源からの光の波長λの変化
に応じて、前記移動スケールへの入射角θが変化し、
ｓｉｎθ／λを略一定として、前記移動スケールに前記
光源からの光を入射させる光学系と、前記スケールの移
動状態に応じてドップラシフトした前記移動スケールか
らの光を検出し、前記移動スケールの移動状態を計測す
るだめの検出手段とを有することを特徴とする。
成の、波長依存性の無い安定性の高い工［目的を達成す
るための手段］ 上記目的を達成する本発明のエンコーダは、移動する移
動スケールと、光源と、該光源からの光の波長λの変化
に応じて、前記移動スケールへの入射角θが変化し、
ｓｉｎθ／λを略一定として、前記移動スケールに前記
光源からの光を入射させる光学系と、前記スケールの移
動状態に応じてドップラシフトした前記移動スケールか
らの光を検出し、前記移動スケールの移動状態を計測す
るだめの検出手段とを有することを特徴とする。
［実施例］
第１図（ａ） 、 （ｂ）は本発明をロータリーエンコ
ーダに適用した一実施例の構成を示す図である。両図に
おいて、９は波長λ（＝ ７８０μｍ）の半導体レーザ
、１０はコリメータレンズ、１１は格子ピッチｄの透過
型の回折格子、！２ａ、１２ｂはミラー、１３は集光レ
ンズ、１４は光検出器である。又、８は回転物体上の回
転方向に沿って形成される、変位量計測用のスケールと
しての反射型格子本数は２１６００本である。回折格子
８は回折格子１１と同一のピッチｄで同一の温度係数を
備えるものであり、同一の材質であることが好ましい。
ーダに適用した一実施例の構成を示す図である。両図に
おいて、９は波長λ（＝ ７８０μｍ）の半導体レーザ
、１０はコリメータレンズ、１１は格子ピッチｄの透過
型の回折格子、！２ａ、１２ｂはミラー、１３は集光レ
ンズ、１４は光検出器である。又、８は回転物体上の回
転方向に沿って形成される、変位量計測用のスケールと
しての反射型格子本数は２１６００本である。回折格子
８は回折格子１１と同一のピッチｄで同一の温度係数を
備えるものであり、同一の材質であることが好ましい。
半導体レーザ９から射出したレーザ光束は、コリメータ
レンズ１０によってほぼ平行な光束となフて回折格子１
１に垂直に入射する。入射した光束は＋１次、−１次の
回折光にビームスブリットされ、それらの射比角θ。は
次式で表わされる。
レンズ１０によってほぼ平行な光束となフて回折格子１
１に垂直に入射する。入射した光束は＋１次、−１次の
回折光にビームスブリットされ、それらの射比角θ。は
次式で表わされる。
θｏ −５ｉｎ−’ （λ／ｄ） ・・・−（１
）ここで、＋１次、−１次の回折光は、それぞれ平行に
配置されたミラー１２ａ、１２ｂによって折返され、回
折格子８上で２つの光束が重なって照射されるように光
学系が配置されている。この時、回折格子８から発生す
るドツプラシフトした回折光は、集光レンズエ３を介し
て光検出器１４にて検出され、ドツプラ信号Ｆを得る。
）ここで、＋１次、−１次の回折光は、それぞれ平行に
配置されたミラー１２ａ、１２ｂによって折返され、回
折格子８上で２つの光束が重なって照射されるように光
学系が配置されている。この時、回折格子８から発生す
るドツプラシフトした回折光は、集光レンズエ３を介し
て光検出器１４にて検出され、ドツプラ信号Ｆを得る。
ここで、回折格子８への三光束の入射角は、それぞれθ
。どなるため、検出部での回転接線方向の速度をＶどす
ると、 Ｆ ＝ ２ Ｖ−ｓｉｎθ。／λ −・−（２）で表
わされる。この時（１）式より、ｄ−ｓｉｎθ。
。どなるため、検出部での回転接線方向の速度をＶどす
ると、 Ｆ ＝ ２ Ｖ−ｓｉｎθ。／λ −・−（２）で表
わされる。この時（１）式より、ｄ−ｓｉｎθ。
ミλ であることから、（２）式は、
Ｆ＝２Ｖ／ｄ ・・・−（３）となる。
これは半導体レーザ９の波長λが温度等によって変化し
たとしても、ドツプラ信号Ｆには影響を与えず、安定し
た信号が得られ、これにより速度情報が検出される。
たとしても、ドツプラ信号Ｆには影響を与えず、安定し
た信号が得られ、これにより速度情報が検出される。
又、検出部においてスケールが回折格子の一格子ピッチ
ｄたけか変位すると、２回の明暗変化が起こる。すなわ
ちｄ／２の変位量毎に１パルスか検出される。これは（
３）式を時間積分して、Ｎをパルス数、Ｌを変位量とす
る時、 Ｎ ＝ ２ Ｌ／ｄ ・・・・（４）が成
立することより理解される。これにより変位量情報が検
出される。
ｄたけか変位すると、２回の明暗変化が起こる。すなわ
ちｄ／２の変位量毎に１パルスか検出される。これは（
３）式を時間積分して、Ｎをパルス数、Ｌを変位量とす
る時、 Ｎ ＝ ２ Ｌ／ｄ ・・・・（４）が成
立することより理解される。これにより変位量情報が検
出される。
今、回折格子のピッチｄを、ｄ＝π／４３２井７．３μ
ｍとし、検出位置の光スポットの直径を５０μｍとする
と、１格子ピツチｄの変位は、角度１分の変位に相当す
る。１格子ピツチの変位に対して、２回の明暗信号が得
られることから、分解能は３０秒、つまり一回転あたり
４３２００個の信号が得られる。
ｍとし、検出位置の光スポットの直径を５０μｍとする
と、１格子ピツチｄの変位は、角度１分の変位に相当す
る。１格子ピツチの変位に対して、２回の明暗信号が得
られることから、分解能は３０秒、つまり一回転あたり
４３２００個の信号が得られる。
なお、変形例として第２図に示すように、集光レンズ１
３、光検出器１４とコリメータレンズ１０、半導体レー
ザ９の配置を逆にしても、第１図の場合と同等の信号が
得られ、同等の作用・効果を得る。
３、光検出器１４とコリメータレンズ１０、半導体レー
ザ９の配置を逆にしても、第１図の場合と同等の信号が
得られ、同等の作用・効果を得る。
さて、以上は本発明の基本的形態を示す実施例であるが
、上記構成をより改良した例として、第３図（ａ）や第
３図（ｂ） に示すような構成をとっても良い。
、上記構成をより改良した例として、第３図（ａ）や第
３図（ｂ） に示すような構成をとっても良い。
第３図（ａ） ニおいて、１５ａ及び＋５ｂは図波長板
てあり、１７はビームスプリッタ、又、１８ａ及び１８
ｂは偏光板で偏光方向が互いに４５度傾いている。１４
ａ、１４ｂは各偏光成分をそれぞれ検出するための光検
出器である。各光検出ている。同図において、回折格子
８て反射した光は干渉光束となってビームスプリッタ１
７で透過光束と反射光束に二分割され、偏向板１８ａ１
８ｂによって２成分に分けられ、光検出器１４ａ、１４
ｂてそれぞれ検出する。偏向［１８ａ。
てあり、１７はビームスプリッタ、又、１８ａ及び１８
ｂは偏光板で偏光方向が互いに４５度傾いている。１４
ａ、１４ｂは各偏光成分をそれぞれ検出するための光検
出器である。各光検出ている。同図において、回折格子
８て反射した光は干渉光束となってビームスプリッタ１
７で透過光束と反射光束に二分割され、偏向板１８ａ１
８ｂによって２成分に分けられ、光検出器１４ａ、１４
ｂてそれぞれ検出する。偏向［１８ａ。
１８ｂは互いに偏光方位か４５度ずれているので、回折
格子８の変位に伴って５光検出器１４ａ１４ｂからは、
位相が９０度ずれた正弦波４８号か出力され、スケール
の回転方向の判別も可能となる。又、信号内挿処理によ
り更に検出分解能を向上させることもできる。
格子８の変位に伴って５光検出器１４ａ１４ｂからは、
位相が９０度ずれた正弦波４８号か出力され、スケール
の回転方向の判別も可能となる。又、信号内挿処理によ
り更に検出分解能を向上させることもできる。
又、第３図（ｂ）はミラー１２ａ、１２ｂの代わりに透
過型の回折格子１９ａ、１９ｂを用いた検圧系を示す。
過型の回折格子１９ａ、１９ｂを用いた検圧系を示す。
回折格子１９ａ、１９ｂは回折格子１１の格子ピッチｄ
の１／２の格子ピッチを有し、回折格子１１に平行に配
置される。
の１／２の格子ピッチを有し、回折格子１１に平行に配
置される。
回折格子１９ａ、１９ｂからの光としては、光学系の中
心方向の一次回折光が使用され、回折格子１９ａ及び１
９ｂの入射角と回折角が等しくなギの大部分が特定（こ
の場合、光学系の中心方向の一次回折）の次数に数帯す
るような、例えばブレーズド回折格子を使用することが
好ましい。
心方向の一次回折光が使用され、回折格子１９ａ及び１
９ｂの入射角と回折角が等しくなギの大部分が特定（こ
の場合、光学系の中心方向の一次回折）の次数に数帯す
るような、例えばブレーズド回折格子を使用することが
好ましい。
さて、以上の各実施例は、いわゆるロータリーエンコー
ダに通用したものであるが、いｎ１６リニアエンコーダ
にも当然通用できる。この場合、回転スケールの代わり
にリニアスケールとすれは良い。
ダに通用したものであるが、いｎ１６リニアエンコーダ
にも当然通用できる。この場合、回転スケールの代わり
にリニアスケールとすれは良い。
又、以上各実施例においては、回折格子１１は±１次の
回折光を射出するようにしであるが、±ｎ次光（ｎは自
然数）を用いても良く、又、次数の異なる例えば０次光
とｎ次光の２光束を用いても良い。又、三光束の内、−
光束をスケールに照射し、そのスケールからの光とスケ
ールに照射されないもう一方の光束とを干渉させてドツ
プラ信号を得る、いわゆる参照光法を用いても、ｓｉｎ
θ／λか一定の検出系を実現し得る。
回折光を射出するようにしであるが、±ｎ次光（ｎは自
然数）を用いても良く、又、次数の異なる例えば０次光
とｎ次光の２光束を用いても良い。又、三光束の内、−
光束をスケールに照射し、そのスケールからの光とスケ
ールに照射されないもう一方の光束とを干渉させてドツ
プラ信号を得る、いわゆる参照光法を用いても、ｓｉｎ
θ／λか一定の検出系を実現し得る。
又、上述した実施例においては、回折格子１１として透
過型のものを示したが、反射型の回折格子を用い、光源
を回折格子１１と回折格子８の間に配置すれは、装置の
コンパクト化を図ることができる。
過型のものを示したが、反射型の回折格子を用い、光源
を回折格子１１と回折格子８の間に配置すれは、装置の
コンパクト化を図ることができる。
なお以上の実施例ではスケールとして回折格子８を用い
たか、より簡略化した変形例として、スケールとして回
折格子８の代わりに乱反射性の粗い散乱面を用いて、発
生する散乱米から得られるドツプラ信号を基に変位量を
求めるようにしても良い。
たか、より簡略化した変形例として、スケールとして回
折格子８の代わりに乱反射性の粗い散乱面を用いて、発
生する散乱米から得られるドツプラ信号を基に変位量を
求めるようにしても良い。
さて、第４図は上託エンコーダの使用例を示すもので、
エンコーダを用いた駆動システムのシステム構成図であ
る。モータやアクチュエータ、内燃機関等の駆動源を有
する駆動手段１１０の駆動出力部、あるいは駆動される
物体の移動部にはエンコーダ１１１が接続され、回転量
や回転速度あるいは移動量や移動速度等の駆動状態を検
出する。このエンコーダ１１１の検出出力は制御手段１
１２にフィードバックされ、制御手段１１２においては
設定手段１１３で設定された状態となるように駆動手段
１１０に駆動信号を伝達する。このようなフィードバッ
ク系を構成することによって外乱の影響を受けずに設定
手段１１３で設定された駆動状態を保つことができる。
エンコーダを用いた駆動システムのシステム構成図であ
る。モータやアクチュエータ、内燃機関等の駆動源を有
する駆動手段１１０の駆動出力部、あるいは駆動される
物体の移動部にはエンコーダ１１１が接続され、回転量
や回転速度あるいは移動量や移動速度等の駆動状態を検
出する。このエンコーダ１１１の検出出力は制御手段１
１２にフィードバックされ、制御手段１１２においては
設定手段１１３で設定された状態となるように駆動手段
１１０に駆動信号を伝達する。このようなフィードバッ
ク系を構成することによって外乱の影響を受けずに設定
手段１１３で設定された駆動状態を保つことができる。
このような駆動システムは、例えは工作機械、製造機械
、計測機器、記録機器、更にはこれらに限らず駆動手段
を有する一般の装置に広く適用することができる。
、計測機器、記録機器、更にはこれらに限らず駆動手段
を有する一般の装置に広く適用することができる。
［発明の効果］
以上本発明によれば、キャッツアイ光学系等を使用しな
い簡素な構成の、波長依存性の無い安定性の高いエンコ
ーダを提供することができる。
い簡素な構成の、波長依存性の無い安定性の高いエンコ
ーダを提供することができる。
第１図（ａ） 、 （ｂ）は本発明の一実施例の構成図
、第２図は第１図の変形例の構成図、 第３図（ａ） 、（ｂ）は更なる改良例の構成図、第４
図はエンコーダを用いた駆動システムの構成図、 第５図は従来のエンコーダの一例を示す図、であり、図
中の主な符号は、 ７ ・・・・反射面、 ９ ・・・・半導体レーザ、 １０ ・・・・コリメータレンズ、 １１ ・・・・回折格子、 １２ ・・・・ ミラー １３ ・・・・集光レンズ、 １４ ・・・・光検出器、 第 Ｎ 目 （θ） 第 図（し） 方？口 茅う 第 う 図 （しン 第 巳
、第２図は第１図の変形例の構成図、 第３図（ａ） 、（ｂ）は更なる改良例の構成図、第４
図はエンコーダを用いた駆動システムの構成図、 第５図は従来のエンコーダの一例を示す図、であり、図
中の主な符号は、 ７ ・・・・反射面、 ９ ・・・・半導体レーザ、 １０ ・・・・コリメータレンズ、 １１ ・・・・回折格子、 １２ ・・・・ ミラー １３ ・・・・集光レンズ、 １４ ・・・・光検出器、 第 Ｎ 目 （θ） 第 図（し） 方？口 茅う 第 う 図 （しン 第 巳
Claims (9)
- （１）移動する移動スケールと、 光源と、 該光源からの光の波長λの変化に応じて、 前記移動スケールへの入射角θが変化し、 ｓｉｎθ／λを略一定として、前記移動スケールに前記
光源からの光を入射させる光学系と、前記スケールの移
動状態に応じてドップラ シフトした前記移動スケールからの光を検出し、前記移
動スケールの移動状態を計測するための検出手段、 を有することを特徴とするエンコーダ。 - （２）回折格子より成る移動スケールと、 光源と、 該光源からの光の波長λの変化に応じて、 前記移動スケールからの回折角θが変化し、ｓｉｎθ／
λを略一定として、所定面に入射させる光学系と、 前記スケールの移動状態に応じてドップラ シフトした前記所定面からの光を検出し、前記移動スケ
ールの移動状態を計測するための検出手段、 を有することを特徴とするエンコーダ。 - （３）前記光学系は前記光源からの光を回折させる回折
格子と、該回折格子からの回折角と略同一の入射角で前
記移動スケールに入射させる手段を有する請求項（１）
記載のエンコーダ。 - （４）前記移動スケールは回折格子よりなる請求項（３
）記載のエンコーダ。 - （５）前記所定面に第２の回折格子が設けられる請求項
（２）記載のエンコーダ。 - （６）前記２つの回折格子は、同一ピッチで且つ同一の
温度膨張係数を備える請求項（４）又は（５）記載のエ
ンコーダ。 - （７）前記エンコーダはロータリーエンコダーであり、
前記移動スケールは回転方向に沿って形成される請求項
（１）乃至（６）記載のエンコーダ。 - （８）前記エンコーダはリニアエンコーダであり、前記
移動スケールは直線移動方向に沿つて形成される請求項
（１）乃至（６）記載のエンコーダ。 - （９）前記光源は半導体レーザを有する請求項（１）乃
至（８）記載のエンコーダ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13288190A JPH0427870A (ja) | 1990-05-22 | 1990-05-22 | エンコーダ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13288190A JPH0427870A (ja) | 1990-05-22 | 1990-05-22 | エンコーダ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0427870A true JPH0427870A (ja) | 1992-01-30 |
Family
ID=15091742
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP13288190A Pending JPH0427870A (ja) | 1990-05-22 | 1990-05-22 | エンコーダ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0427870A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005121539A (ja) * | 2003-10-17 | 2005-05-12 | Sony Manufacturing Systems Corp | 変位検出装置 |
| JP2011527435A (ja) * | 2008-07-07 | 2011-10-27 | コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ | レーザ自己混合測定装置 |
| JP2014190896A (ja) * | 2013-03-28 | 2014-10-06 | Nikon Corp | エンコーダ、駆動装置、ステージ装置及び露光装置 |
| JP2016136106A (ja) * | 2015-01-23 | 2016-07-28 | 太陽誘電株式会社 | 光学ユニットおよび変位計測装置 |
-
1990
- 1990-05-22 JP JP13288190A patent/JPH0427870A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005121539A (ja) * | 2003-10-17 | 2005-05-12 | Sony Manufacturing Systems Corp | 変位検出装置 |
| JP2011527435A (ja) * | 2008-07-07 | 2011-10-27 | コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ | レーザ自己混合測定装置 |
| JP2014190896A (ja) * | 2013-03-28 | 2014-10-06 | Nikon Corp | エンコーダ、駆動装置、ステージ装置及び露光装置 |
| JP2016136106A (ja) * | 2015-01-23 | 2016-07-28 | 太陽誘電株式会社 | 光学ユニットおよび変位計測装置 |
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