JP5096237B2 - 光電式エンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、光電式エンコーダに関する。

従来、各種の工作機械や測定装置などの可動部分における相対移動位置を検出する装置として、光電式エンコーダが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特に、反射型回折格子を用いた光電式エンコーダとしては、例えば、図８に示す光電式エンコーダ８００が知られている。
光電式エンコーダ８００は、光源８０２から出射したレーザビームを、偏光ビームスプリッタ８０３の偏光方向に従って二波に分光し、これらの各分光光束Ａ、Ｂを、スケール８０１の反射型の回折格子Ｓ上の異なる二つの回折点Ｐ１１、Ｐ１２に入射させる。そして、各回折点Ｐ１１、Ｐ１２で生成された各１次回折光Ａ１、Ｂ１は、それぞれ分光光束Ａ、Ｂと同様の光路を逆進して偏光ビームスプリッタ８０３に至り、偏光ビームスプリッタ８０３で混合された後、無偏光ビームスプリッタ８０４で２つに分割され、検出器８０５Ａ、８０５Ｂによって電気信号に変換される。一方、各回折点Ｐ１１、Ｐ１２で生成された反射光（０次光）Ａ０、Ｂ０は、それぞれ図中左右方向に除去される。

この光電式エンコーダ８００では、スケール８０１の移動量を干渉光の明暗として検出するに際し、互いに逆方向に位相シフトされた１次回折光Ａ１、Ｂ１同士の干渉を利用しており、スケール８０１が回折格子Ｓの一ピッチ分だけ変位したとすると、各検出器８０５Ａ、８０５Ｂからは、二周期分の完全正弦波信号φＡ、φＢを得ることができる（二回の明暗が得られる）。このため、回折格子Ｓの一ピッチを光学的に二分割したことになるので分解能の向上が図られている。例えば、回折格子Ｓの一ピッチを０．５μｍとすると、各検出器８０５Ａ、８０５Ｂから得られる正弦波信号φＡ、φＢは、０．２５μｍの分解能に相当する周期となる。
また、一方の検出器８０５Ａに１／４波長板８０６を設けたので、二つの検出器８０５Ａ、８０５Ｂから得られる正弦波信号φＡ、φＢは、互いに９０度位相の異なるものとなり、これによりスケールＳの変位方向を把握できるようになっている。
特開平８−５３２６号公報

しかしながら、上記のような光電式エンコーダは、スケールで反射した回折光を検出する機構の配置構造が反射方向に沿った２次元的な構造になっていたため大型化してしまうという問題を有していた。

本発明の課題は、小型化を実現した光電式エンコーダを提供することである。

前記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、
光を出射する光源と、
前記光源からの光を回折する反射型の回折格子を有するスケールと、
前記スケールから反射された複数の回折光を混合する混合部と、
前記混合部により混合された回折光を複数に分光する無偏光ビームスプリッタと、
前記無偏光ビームスプリッタにより分光された回折光を透過させる偏光板及び前記偏光板を透過した回折光を受光する受光素子を有する複数の検出器と、
前記複数の検出器のいずれか１つに備えられ、前記偏光板と前記無偏光ビームスプリッタとの間に設置された１／４波長板と、
を備えた光電式エンコーダであって、
前記混合部と前記無偏光ビームスプリッタとの間の回折光の光路上に配置され、前記混合部からの０°及び９０°の直線偏光の回折光を、４５°及び１３５°の直線偏光の回折光として前記スケール面と平行に反射させるミラーと、
前記無偏光ビームスプリッタの入射側に配置され、前記ミラーから反射された４５°及び１３５°の直線偏光の回折光を透過させる入射側１／２波長板と、
を備えることを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光電式エンコーダにおいて、
前記無偏光ビームスプリッタの出射側に配置され、前記無偏光ビームスプリッタを通過した回折光を透過させる出射側１／２波長板を備えることを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の光電式エンコーダにおいて、
前記入射側１／２波長板及び前記出射側１／２波長板は、一体となるよう形成されていることを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項２又は３に記載の光電式エンコーダにおいて、
前記ミラーは、
前記混合部からの回折光を反射させる第１ミラーと、
前記第１ミラーにより反射され前記入射側１／２波長板を透過した回折光を反射させる第２ミラーと、を備え、
前記入射側１／２波長板と前記第２ミラーと前記無偏光ビームスプリッタと前記出射側１／２波長板は、全て一体となるよう形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、混合部と無偏光ビームスプリッタとの間の回折光の光路上に配置され、混合部からの０°及び９０°の直線偏光の回折光を、４５°及び１３５°の直線偏光の回折光としてスケール面と平行に反射させるミラーと、無偏光ビームスプリッタの入射側に配置され、ミラーから反射された４５°及び１３５°の直線偏光の回折光を透過させる入射側１／２波長板と、を備えるため、スケールで反射した回折光を検出する機構の配置構造を３次元的な構造にすることができることとなって、光電式エンコーダの小型化を実現することができる。また、ミラーを透過することにより生じた４５°及び１３５°の直線偏光を、０°及び９０°の直線偏光に戻すことができるため、消光比の劣化を低減することができ、光学特性を良好に維持することが可能となる。

以下、本発明に係る光電式エンコーダについて、図面を用いて具体的な態様を説明する。
なお、以下の説明において、光電式エンコーダのスケールの長手方向をＸ方向とし、スケール平面に対して垂直な方向をＺ方向とし、Ｘ方向及びＺ方向に直交する方向をＹ方向とする。

［実施形態１］
図１は、本実施形態の光電式エンコーダ１０を模式的に示す側面図であり、図２は、図１に示す光電式エンコーダ１０の平面図である。

図１に示すように、光電式エンコーダ１０には、スケール１１と、光源１２と、偏光ビームスプリッタ（以下、ＰＢＳ（Polarization Beam Splitter）という。）１３と、反射光学系１４と、２つの検出器１５Ａ、１５Ｂと、等が備えられている。

スケール１１は、例えば、ガラス基板に所定ピッチの反射型の回折格子Ｓが形成されて構成されている。
光源１２は、例えば、レーザ光源であり、スケール１１のＺ方向斜め上方に設置されており、スケール１１に対してレーザビームを照射するようになっている。
ＰＢＳ１３は、光源１２とスケール１１との間において、スケール１１に対して垂直となるよう設置されており、光源１２からのレーザビームを互いに偏光方向が直交する二つの分光光束Ａ、Ｂに分光するとともに、これらの分光光束Ａ、Ｂがスケール１１の回折格子Ｓ（回折点Ｐ１、Ｐ２）上で回折されて生成された二つの１次回折光Ａ１、Ｂ１を混合するようになっている。

具体的には、光源１２からのレーザビームの光束が分光されるＰＢＳ１３上の点Ｒとこの点Ｒで分光された各分光光束Ａ、Ｂが入射されるスケール１１上の異なる二つの回折点Ｐ１、Ｐ２との間の二つの光路の途中には、一対の１／４波長板１６Ａ、１６Ｂが設けられている。これらの１／４波長板１６Ａ、１６Ｂは、各分光光束Ａ、Ｂ（直線偏光）の偏光方向に対して４５度位相遅れの方位を傾けて配置されるとともに、互いに直交する方位の偏光成分の位相を９０度遅らせるように９０度方位をずらして配置されている。

従って、分光光束Ａとその１次回折光Ａ１とは、１／４波長板１６Ａを二回通過するので、一偏光成分のみの位相が１８０度遅れるようになり、結局、１／４波長板１６Ａを通過する前の分光光束Ａ（直線偏光）と１／４波長板１６Ａを通過した後の１次回折光Ａ１（直線偏光）とは、偏光方向が９０度回転した状態となる。また、分光光束Ｂとその１次回折光Ｂ１との関係も同様であり、１／４波長板１６Ｂを通過する前の分光光束Ｂ（直線偏光）と１／４波長板１６Ｂを通過した後の１次回折光Ｂ１（直線偏光）とは、偏光方向が９０度回転した状態となる。
これにより、ＰＢＳ１３上の点Ｒでは、１次回折光Ａ１は透過され、１次回折光Ｂ１は反射され、光源１２に向かう方向と直交する方向に向かう一つの混合波が生成されるようになっている。よって、このＰＢＳ１３は、混合部として機能する。

図２に示すように、反射光学系１４は、第１ミラー１４１と、第２ミラー１４２と、無偏光ビームスプリッタ（以下、ＮＰＢＳ（Ｎon-Polarization Beam Splitter）という。）１４３と、第３ミラー１４４と、等を備えて構成されている。

具体的には、第１ミラー１４１は、例えば、ＸＺ平面及びＸＹ平面に対して４５°傾くように設置されており、ＰＢＳ１３により混合された二つの１次回折光Ａ１、Ｂ１の混合波を反射し、その光路をＹ方向に向かう方向に変更させるようになっている。
第２ミラー１４２は、第１ミラー１４１により反射された二つの１次回折光Ａ１、Ｂ１の混合波をＸ方向であって、光源１２に近づく方向に反射させる。
ＮＰＢＳ１４３は、第１ミラー１４１及び第２ミラー１４２により反射された二つの１次回折光Ａ１、Ｂ１の混合波を偏光方向を変えずに二波に分光するよう配置されており、分光した光の一方は第３ミラー１４４を介して検出器１５Ａに送られ、他方は検出器１５Ｂに送られるようになっている。

検出器１５Ａは、ＮＰＢＳ１４３で分光された一方の混合波の一偏光成分のみの位相を９０度遅らせる１／４波長板１５１と、この１／４波長板１５１を通過した混合波の偏光方向を一致させて干渉させる偏光板１５２Ａと、この偏光板１５２Ａで干渉させられた光束を電気信号に変換する受光素子１５３Ａとにより構成されている。

また、検出器１５Ｂは、ＮＰＢＳ１４３で分光された他方の混合波の偏光方向を一致させて干渉させる偏光板１５２Ｂと、この偏光板１５２Ｂで干渉させられた光束を電気信号に変換する受光素子１５３Ｂとにより構成されている。
従って、ＮＰＢＳ１４３で分光された一方の混合波は、１／４波長板１５１によって他方の混合波に対して９０度位相が遅らされ、続いて、偏光板１５２Ａによって偏光方向が一致されて干渉された後、受光素子１５３Ａへ入射される。
また、他方の混合波は、偏光板１５２Ｂによって偏光方向が一致されて干渉された後、受光素子１５３Ｂへ入射される。
これにより、２つの検出器１５Ａ、１５Ｂから得られる正弦波信号φＡ、φＢは、互いに９０度位相の異なるものとすることができる。

このような光電式エンコーダ１０によれば、以下のようにスケール１１の移動量が検出される。
先ず、光源１２から出射されたレーザビームは、ＰＢＳ１３の偏光方向に従って点Ｒ上でＳ波・Ｐ波の二波に分光される。各分光光束Ａ、Ｂは、それぞれ１／４波長板１６Ａ、１６Ｂを通過した後、スケール１１の回折格子Ｓ上の異なる二つの回折点Ｐ１、Ｐ２に入射される。この際、各回折点Ｐ１、Ｐ２で各分光光束Ａ、Ｂの１次回折光Ａ１、Ｂ１および反射光（０次光）Ａ０、Ｂ０が生成される。
次に、各１次回折光Ａ１、Ｂ１は、分光光束Ａ、Ｂが回折点Ｐ１、Ｐ２に至るまでの光路と同一の光路をそれぞれ逆進して１／４波長板１６Ａ、１６Ｂを通過し、ＰＢＳ１３（点Ｒ）に至る。そして、ＰＢＳ１３により１次回折光Ａ１の透過光と１次回折光Ｂ１の反射光とが混合される。

次に、ＰＢＳ１３から出射される混合波は、第１ミラー１４１によって反射されてスケール１１平面と平行なＸＹ平面内にその光路を変更される。
具体的には、４５°傾けて設置された第１ミラー１４１によって、スケール１１の平面と垂直なＸＺ平面内にあった光路が、スケール１１の平面と平行なＸＹ平面内に変更される。
次に、第１ミラー１４１により光路の変更された光は、第２ミラー１４２を介してＮＰＢＳ１４３に入射し、ＮＰＢＳ１４３により２つに分割された後、一方は検出器１５Ａに入射し、他方は第３ミラー１４４を更に介して検出器１５Ｂに入射する。その後、検出器１５Ａ、１５Ｂによって電気信号に変換される。
一方、各０次光Ａ０、Ｂ０は、各回折点Ｐ１、Ｐ２の位置でそれぞれＸ方向に除去される。

以上のように、本実施形態の光電式エンコーダ１０によれば、ＰＢＳ１３と検出器１５Ａ、１５Ｂとの間の光路に、ＰＢＳ１３から出射された光の光路を変更する反射光学系１４を備えることにより、反射光学系１４の第１ミラー１４１および第２ミラーにより反射された光はスケール１１の平面と平行なＸＹ平面内において反射されるため、３次元的な光路が構成されることとなって、Ｚ方向において光電式エンコーダ１０を小型化することができる。

なお、本実施形態においては、第１ミラー１４１をＸＺ平面及びＸＹ平面に対して４５°傾くように設置することとしているが、第１ミラー１４１により反射される光が、スケール１１の平面と平行、又はスケール１１の平面に向かう方向にその光路を変更できれば、第１ミラー１４１の設置角度に制限はない。
また、反射光学系１４は、第１ミラー１４１、第２ミラー１４２、ＮＰＢＳ１４３、及び第３ミラー１４４により構成されているが、反射光学系１４を構成する光学部材は適宜設定されるものである。
例えば、図３に示すように、第１ミラー１４１をＸＹ平面に対してのみ４５°傾くように配置し、第１ミラー１４１により反射された光がスケール１１に対して垂直な光路となるようにすることもできる。この場合、第２ミラー１４２を用いること無しにＮＰＢＳ１４３により光を分光してもよい。

［実施形態２］
次に、本発明の実施形態２について説明する。
実施形態２の光電式エンコーダ２０は、反射光学系２４が異なる以外はその基本構成は実施形態１の光電式エンコーダ１０と同様であるため、この点を中心に説明し、同じ箇所には実施形態１と同一の符号を付して説明を省略する。

図４は、実施形態２の光電式エンコーダ２０の反射光学系２４を示す図である。
反射光学系２４は、第１ミラー２４１と、第２ミラー２４２と、ＮＰＢＳ２４３と、第３ミラー２４４と、入射側１／２波長板２４５と、等を備えて構成されている。
具体的には、図４に示すように、入射側１／２波長板２４５は、第１ミラー２４１と第２ミラー２４２との間の光路に設置されており、第１ミラー２４１から反射された４５°及び１３５°の直線偏光の回折光を入射させるようになっている。

このような構成とすることにより、ＸＺ平面及びＸＹ平面に対して４５°傾くように設置された第１ミラー２４１を透過したことで、０°及び９０°の直線偏光から４５°及び１３５°の直線偏光となった光が、入射側１／２波長板２４５を透過することで４５°及び１３５°の直線偏光から再び０°及び９０°の直線偏光となって出射されることとなる。

以上のように、実施形態２の光電式エンコーダ２０によれば、実施形態１と同様の効果が得られるもの勿論のこと、第１ミラー２４１を透過することにより生じた４５°及び１３５°の直線偏光を、０°及び９０°の直線偏光に戻すことができるため、消光比の劣化を低減することができ、光学特性を良好に維持することが可能となる。
また、このような構成とした場合、第１ミラー２４１による反射後、更に複数の反射を繰り返す構成としても消光比の劣化を防止することができ、設計の自由度を向上させることができる。
また、第１ミラー２４１により反射された回折光が入射側１／２波長板２４５を透過することで光学部材の材質、光学薄膜の材質、及び表面反射・裏面反射などの特性に依存した測定精度の誤差を低減することができる。

［実施形態３］
次に、本発明の実施形態３について説明する。
図５は、実施形態３の光電式エンコーダ３０の反射光学系３４を示す図である。
反射光学系３４は、第１ミラー３４１と、第２ミラー３４２と、ＮＰＢＳ３４３と、第３ミラー３４４と、入射側１／２波長板３４５と、出射側１／２波長板３４６Ａ、３４６Ｂと、等を備えて構成されている。

具体的には、実施形態２と同様に、第１ミラー３４１と第２ミラー３４２との間の光路に入射側１／２波長板３４５が設置され、更に、２つの検出器１５Ａ、１５Ｂの前方において、ＮＰＢＳ３４３を通過した光を通過させる出射側１／２波長板３４６Ａ、３４６Ｂがそれぞれ設置されている。
このような構成とすることにより、入射側１／２波長板３４５を通過して０°及び９０°の直線偏光となった回折光は、出射側１／２波長板３４６Ａ、３４６Ｂを通過して再び４５°及び１３５°の直線偏光に戻ることとなる。このため、入射側１／２波長板３４５を設置した際の位相のズレ（例えば、０°、９０°の直線偏光が、１°、８９°になってしまう等）が、出射側１／２波長板３４６Ａ、３４６Ｂにより相殺されるようになっている。

以上のように、実施形態３の光電式エンコーダ３０によれば、実施形態１、２と同様の効果が得られるもの勿論のこと、ＮＰＢＳ３４３に入射する前後において、入射側１／２波長板３４５と、出射側１／２波長板３４６Ａ、３４６Ｂと、をそれぞれ備えているため、部品製造や組み立ての際に生じるばらつきに起因した位相のズレが相殺され、精度をより向上させることができる。

［実施形態４］
次に、本発明の実施形態４について説明する。
図６は、実施形態４の光電式エンコーダ４０の反射光学系４４を示す図である。
反射光学系４４は、第１ミラー４４１と、第２ミラーを構成する光学部材４４２（以下、光学部材４４２という。）と、ＮＰＢＳを構成する光学部材４４３（以下、光学部材４４３という。）と、第３ミラーを構成する光学部材４４４（以下、光学部材４４４という。）と、１／２波長板４４７と、等を備えて構成されている。
すなわち、光学部材４４２、４４３、及び４４４は、実施形態３の反射光学系３４における第２ミラー３４２、ＮＰＢＳ３４３、及び第３ミラー３４４が、三角柱形状の光学部材４４２、４４３、及び四角柱形状の４４４により形成されている。
ここで、「光学部材」とは、例えば、プリズムなどである。
具体的には、例えば、光学部材４４２、４４４は、三角柱形状及び四角柱形状の透光性のガラスの斜面４４２ａ、４４４ａにミラー面を形成し、光学部材４４３は三角柱形状の透光性のガラスの斜面にＮＰＢＳを形成して構成することができる。
また、１／２波長板４４７は、実施形態３の反射光学系３４における入射側１／２波長板３４５と、出射側１／２波長板３４６Ａ、３４６Ｂと、が一体に形成されたものである。
従って、反射光学系４４の光学特性は、実施形態３の反射光学系３４と同様である。

以上のように、実施形態４の光電式エンコーダ４０によれば、実施形態１〜３と同様の効果が得られるのは勿論のこと、１／２波長板４４７が一部材であるため、部品製造や組み立ての際に位相差が生じることなく精度をより向上させることができる。
また、外気の温度変化が生じた場合であっても、１／２波長板４４７が一部材であるため位相関係が損なわれることなく、光学特性を一定に維持することができる。

［実施形態５］
次に、本発明の実施形態５について説明する。
図７は、実施形態５の光電式エンコーダ５０の反射光学系５４を示す図である。
反射光学系５４は、実施形態４の反射光学系４４と同様に、第１ミラー５４１と、光学部材５４２、５４３、及び５４４と、１／２波長板５４７と、等を備えて構成されており、光学部材５４２、５４３、４４４、及び１／２波長板５４７が一体に形成されている。
具体的には、それぞれの部品を貼着することで一体とすることができる。

以上のように、実施形態５の光電式エンコーダ５０によれば、実施形態１〜４と同様の効果が得られるもの勿論のこと、光学部材５４２、５４３、５４４、及び１／２波長板５４７が一体に形成されているため、その光学特性をより安定させることができる。

なお、本発明は、以上の実施の形態に限定されるものではない。
例えば、混合部として、ＰＢＳ１３を用いたが、光源１２からの光を分光する分光部は、ＰＢＳ１３とは別部材としてもよい。
また、無偏光ビームスプリッタ１４３、２４３・・・５４３において、光を２つ以上の光路に分割し、この光路と同数の検出器を備えた構成であってもよい。

実施形態１の光電式エンコーダを模式的に示した側面図である。 図１の光電式エンコーダの平面図である。 実施形態１の光電式エンコーダの変形例を模式的に示した側面図である。 実施形態２の光電式エンコーダの要部構成を示す図である。 実施形態３の光電式エンコーダの要部構成を示す図である。 実施形態４の光電式エンコーダの要部構成を示す図である。 実施形態５の光電式エンコーダの要部構成を示す図である。 従来の光電式エンコーダを模式的に示した側面図である。

符号の説明

１０ 光電式エンコーダ
１１ スケール
１２ 光源
１３ 偏光ビームスプリッタ
１４ 反射光学系
１４１ 第１ミラー
１４２ 第２ミラー
１４３ 無偏光ビームスプリッタ
１４４ 第３ミラー
１５Ａ、１５Ｂ 検出器

Claims (4)

1. 光を出射する光源と、
   前記光源からの光を回折する反射型の回折格子を有するスケールと、
   前記スケールから反射された複数の回折光を混合する混合部と、
   前記混合部により混合された回折光を複数に分光する無偏光ビームスプリッタと、
   前記無偏光ビームスプリッタにより分光された回折光を透過させる偏光板及び前記偏光板を透過した回折光を受光する受光素子を有する複数の検出器と、
   前記複数の検出器のいずれか１つに備えられ、前記偏光板と前記無偏光ビームスプリッタとの間に設置された１／４波長板と、
   を備えた光電式エンコーダであって、
   前記混合部と前記無偏光ビームスプリッタとの間の回折光の光路上に配置され、前記混合部からの０°及び９０°の直線偏光の回折光を、４５°及び１３５°の直線偏光の回折光として前記スケール面と平行に反射させるミラーと、
   前記無偏光ビームスプリッタの入射側に配置され、前記ミラーから反射された４５°及び１３５°の直線偏光の回折光を透過させる入射側１／２波長板と、
   を備えることを特徴とする光電式エンコーダ。
2. 前記無偏光ビームスプリッタの出射側に配置され、前記無偏光ビームスプリッタを通過した回折光を透過させる出射側１／２波長板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。
3. 前記入射側１／２波長板及び前記出射側１／２波長板は、一体となるよう形成されていることを特徴とする請求項２に記載の光電式エンコーダ。
4. 前記ミラーは、
   前記混合部からの回折光を反射させる第１ミラーと、
   前記第１ミラーにより反射され前記入射側１／２波長板を透過した回折光を反射させる第２ミラーと、を備え、
   前記入射側１／２波長板と前記第２ミラーと前記無偏光ビームスプリッタと前記出射側１／２波長板は、全て一体となるよう形成されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の光電式エンコーダ。

Images