JPH0545164B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〈技術分野〉 本発明はエンコーダーに関し、特に回転物体に
取付けた回折格子に可干渉光束を入射させ、該回
折格子からの回折光を利用して、物体の回転状態
を検出するエンコーダーに関する。

〈従来技術〉 近年NC工作機械や半導体焼付装置等の精密機
械においては1μm以下（サブミクロン）の単位で
測定することのできる精密な測定器が要求されて
いる。

従来よりサブミクロンの単位で測定することの
できる測定器としては、レーザー等の可干渉性光
束を用い移動物体からの回折光より干渉縞を形成
させ、該干渉縞を利用したリニアエンコーダーが
良く知られている。

一方、フロツピーデスクの駆動等のコンピユー
ター機器、プリンター等の事務機器、あるいは
NC工作機械さらにはVTRのキヤプステンモータ
ーや回転ドラム等の回転機構の回転速度や回転速
度の変動量を検出する為の手段として光電的なロ
ータリーエンコーダーが利用されてきている。

光電的なロータリーエンコーダーは例えば第３
図に示すように回転軸３０に連絡した円板３５の
周囲に透光部と遮光部を等間隔に設けた、所謂メ
インスケール３１とこれに対応してメインスケー
ルと等しい間隔で透光部と遮光部とを設けた所謂
固定のインデツクススケール３２との双方のスケ
ールを投光手段３３と受光手段３４で挟んで対抗
配置した所謂インデツクススケール方式の構成を
採つている。この方法はメインスケールの回転に
伴つて双方のスケールの透光部と遮光部の間隔に
同期した信号が得られ、この信号を周波数解折し
て回転軸の回転速度の変動を検出している。この
為、双方のスケールの透光部と遮光部とのスケー
ル間隔を細かくすればする程、検出精度を高める
ことができる。しかしながらスケール間隔を細か
くすると回折光の影響で受光手段からの出力信号
のＳ／Ｎ比が低下し、検出精度が低下してしまう
欠点があつた。この為メインスケールの透光部と
遮光部の格子の総本数を固定させ、透光部と遮光
部の間隔を回折光の影響を受けない程度まで拡大
しようとするとメインスケールの円板の直径が増
大し更に厚さも増大し装置全体が大型化し、この
結果被検回転物体への負荷が大きくなつてくる等
の欠点があつた。

この様な従来のロータリーエンコーダーの欠点
を解消する１つの手段として、干渉縞を利用した
前述のリエアエンコーダーの測定原理を直接ロー
タリーエンコーダーに適用することも考えられ
る。

この種の干渉縞を利用するエンコーダの構成の
１つにレーザー等の光源から出射する可干渉光束
を分解して複数の光束を回折格子の同一位置に入
射させたり、又は、回折格子の異なる位置に入射
させたりし、夫々同一位置から出射する回折光同
志の重ね合わせや、又は、異なる位置から出射す
る回折光同志の重ね合わせにより干渉縞を得る方
法がある。この場合、従来の方式では、装置の小
型化の為に半導体レーザーを用い、半導体レーザ
ーから出射した直線偏光したレーザー光を1/4波
長板により円偏光として偏光ビームスプツターに
入射させ、Ｐ偏光及びＳ偏光の互いに強度が等し
い光束に分割し利用していた。

しかしながら、装置の小型化と共に、部品数を
減らしコストを下げることはこの種の装置に限ら
ず種々の装置に求められることであり、その意味
では単に光束を分割する目的だけの為に、1/4波
長板の如き特殊な光学部品を使用することは好ま
しくなかつた。

〈発明の概要〉 本発明の目的は、上記従来の問題点に鑑み、小
型化、低価格化が更に要求されるエンコーダーに
於いて、1/4波長板等の特殊な光学部品を用いず
に光束の分割が可能な分解能が高いエンコーダー
を提供することにある。

上記目的を達成する為に、本発明に係るエンコ
ーダーは、放射状の回折格子が形成してある円盤
の回転状態を検出するエンコーダーにおいて、波
長λの直線偏光光を放射する半導体レーザーと偏
光ビームスプリツターと前記半導体レーザーが放
射した直線偏光光を前記偏光ビームスリツターに
向ける指向手段とを有し、前記半導体レーザー及
び前記指向手段は前記直線偏光光が前記偏光ビー
ムスプリツターに入射する際の前記直線偏光光の
偏光方向が前記偏光ビームスプリツターの直交偏
波面の直交軸に対して45度を成すよう配置され、
更に、前記偏光ビームスプリツターにより前記直
線偏光光が分割されて生じた一対の偏光光を前記
放射状回折格子の前記円盤の中心に関してほぼ対
称な２箇所に入射せしめるべく前記一対の偏光光
の各偏光光毎に設けた入射手段と、前記放射状回
折格子の前記２箇所から生じる１次回折光の各々
を該１次回折光が生じた箇所に戻して再回折せし
め、前記２箇所から生じる１次の再回折光を前記
入射手段を介して前記偏光ビームスプリツターに
入射させるよう前記１次回折光毎に設けたキヤツ
ツアイ光学系とを有し、前記各入射手段又は前記
各キヤツツアイ光学系は前記偏光ビームスプリツ
ターからの偏光光の偏光方向に対して前記偏光ビ
ームスプリツターに入射させる１次の再回折光の
偏光方向を直交せしめるλ／４板を備え、更に、
前記偏光ビームスプリツターにより合成された前
記各１次の再回折光同士を互いに干渉せしめるこ
とにより干渉光を形成し、該干渉光を前記円盤の
回転状態を示す信号に変換する手段を有すること
を特徴とする。

尚、本発明の更なる特徴は以下に示す実施例か
ら理解出来るであろう。

〈実施例〉 第１図は本発明に係るエンコーダーの実施例を
示す図で、ロータリーエンコーダーを示してい
る。図中、１はレーザ、２はレーザ１から出射す
る可干渉光束を平行光束にするコリメータレン
ズ、３は２個の台形プリズムを貼り合わせて成る
光学部品、４は光学部品３の貼り合わせ面で、偏
光ビームスプリツターを構成する。５及び７は反
射鏡、６は回転物体上に取付けられた放射格子
で、回転物体の回転中心と放射格子の中心０で大
略一致している。８及び１０は1/4波長板で放射
格子６に入射出する光束の偏光方向を変える。９
及び１０は放射格子６から出射する特定次数の回
折光を再度放射格子６に指向させる為の反射手段
で、キヤツアイ光学系から成る。１２は1/4波長
板で、光学部品３を介して重ね合わされた光束の
偏光方位を円偏光にする。１３は光分割器、１４
及び１６は偏光板、１５及び１７は受光手段で光
電変換素子等から成る。又、０は放射格子６の中
心を、M₁，M₂は放射格子６上の任意の点を示
す。

本実施例ではレーザ１より放射される光束をコ
リメータレンズ２によつて平行光束とし光学部品
３に入射させ、光学部品３を成す台形プリズムの
斜面で反射させた後、その光分割面４へ所定の角
度で入射する様に指向する。この光分割面４に入
射した平行光束は１：１の強度比で反射光束と透
過光束の２つの直線偏光した光束に分割される。
尚、本実施例に於るレーザ１は半導体レーザを用
いている為、光束は予め所定の方向に直線偏光し
ている。さて、光分割面４で分割された２光束の
内、反射光束は光学部品３の光束入射出面と斜面
とで内部反射を繰り返し、入射時と平行な状態で
光学部品３から出射する。出射した反射光束は反
射鏡５により放射格子６の所定の位置M₁へ所定
の入射角で入射するが、このとき放射格子６から
の特定次数、例えばｍ次の回折光が放射格子６か
ら略垂直に放射するように光束を入射させてい
る。そして放射格子６に入射し回折した透過回折
光のうち特定次数の回折光を1/4波長板８を介し
て反射手段９により反射させ、同一光路を逆行さ
せ放射格子６上の略同一位置M₁に再入射させて
いる。即ち、ここでは、放射格子６により垂直に
出射した回折光が1/4波長板８により一旦その偏
光方位を円偏光に変化せしめられ、反射手段９で
反射され再度1/4波長板を通過することにより、
放射格子６により再回折された特定次数の回折光
を入射したときと90度偏光方位の異なる直線偏光
光として、反射鏡５に指向している。そして、反
射鏡５で反射された特定次数の回折光は再度同一
光路を逆行し、光学部品３に入射して内面反射を
繰り返しその光分割面４へ達する。

尚、本実施例では上述した様に光分割面４から
反射手段９に至る特定次数の回折光の往復光路を
同一としている。又、反射手段９として適用して
いるキヤツツアイ光学は、反射鏡を集光レンズの
略焦点面上に配置し、集光レンズに平行に入射し
てきた特定次数の回折光のみを反射鏡で反射させ
た後、元の光路を逆戻りするようにしている。そ
して、その他の次数の回折光を所定の手段により
遮光するものであり、通常の反射鏡等を用いて回
折光を反射させるのに比べ、例えばレーザーの発
振波長が変化し、回折角が多少変化しても略同じ
光路で戻すことができる特徴がある。

又、キヤツツアイ光学系に第１図に示す反射手
段９の如き屈折率分布型レンズ、例えば日本板硝
子社製のセルフオツクマイクロレンズ（商品名）
等を適用し、その両端平面な点に着目して片面に
反射膜を設けることにより、構成が簡便で且つ又
生産性に富む光学素子として本発明に有効に適用
することができる。

一方、光分割面４は分割された２つの光束の内
透過した光束は、光学部品３の光束入射面及び光
学部品３を成す他方の台形プリズムの斜面で反射
され、光学部品３から出射して反射鏡７により放
射格子６上の所定の位置M₂に入射する。ここで
も透過光束の場合同様、放射格子６から出射する
特定次数、例えばｎ次の透過回折光が放射格子６
に対して垂直に出射する様、反射鏡７によりある
入射角でM₂に入射せしめられる。M₂に入射し回
折した透過回折光の内所定次数の回折光は、前述
の反射手段９と同様の反射手段１１により1/4波
長板１０を介して同一光路を逆行し、放射格子６
の略同一位置M₂へ再入射する。従つて、ここで
も放射格子６より再回折された特定次数の回折光
は放射格子６に入射した時とは90゜偏光方位の異
なる直線偏光光として反射鏡７に指向される。そ
して、反射鏡７で反射された特定次数の回折光は
再度同一光路を逆行し、光学部品３に入射して内
面反射を繰り返し光分割面４へ達する。

このとき、透過光束も前述の反射光束と同様に
光分割面４から反射手段１１に至る特定次数の回
折光の往復光路を同一としている。そして反射手
段９を介してきた回折光を重なり合わせた後、1/
４波長板１２を介し円偏光とし、光分割器１３で
２つの光束に分割し、各々の光束を互いの偏光方
位を45度傾けて配置した偏光板１４，１６を介し
双方の光束に90度の位相差を付けた直線偏光とし
て各々の受光手段１５，１７に入射させている。
そして受光手段１５，１７により形成された２光
束の干渉縞の強度を検出している。

さて、本実施例のエンコーダーに於ては、光学
部品３の光分割面４により何ら特殊な光学素子を
用いることなくレーザ１から出射した光束を同一
の光量比で透過光束と反射光束とに分けている。
同一の光量比にするのは前記の干渉縞強度を検出
する際に最も干渉縞の明暗比（ビジビリテイー）
が良くなる様にする為のものであり、放射格子６
の位置M₁及びM₂で得られる特定次数の回折光の
強度が略一致する様に構成される。以下、本実施
例に於る光分割面４の機能に関して詳述する。

第２図は本実施例の光分割面の機能説明図であ
り、４は第１図の光分割面を示しており、説明を
容易にする為通常の偏光ビームスプリツターに置
換して図示している。又、図中の２種類の矢印
Ｌ，Ａは光束の進行方向Ｌと偏光方位Ａを示して
いる。

一般に偏光ビームスプリツターはその光分割面
４で任意の偏光方位を有する光束のＰ波成分を透
過させ、Ｓ波成分を反射させる働きを持つてい
る。従つて、光分割面４の直交偏波面に対し、図
示する如くθの角度を成す偏光面を持つ光束を入
射させると、光分割面４により分割されるＰ波成
分とＳ波成分との振幅比ははsinθ：cosθとなる。
従つて、光源から出射する出射光束の偏光方位が
光分割面４の直交偏波面に対し、45゜の角度を成
す様に設置すれば、光分割面４により分割される
Ｐ波成分とＳ波成分、即ち透過光束と反射光束の
振幅比はsin45゜：cos45゜＝１：１と成り、結局同
一強度で分割されることになる。

本実施例ではレーザ１として半導体レーザを用
い、半導体レーザの構造で決まる偏波面を光学部
品３の光分割面４に対し所定の角度45゜となる様
にレーザ１をコリメータレンズ２の光軸のまわり
に傾けて（回転させ）設置している。この様な構
成にすることにより他の光学素子を用いることな
く、光分割面４に於て透過光束と反射光束との強
度比を１：１に出来る。従つて、この種の測定装
置に要求される小型化や光学部品数を減らすこと
によるコストの減少、及び組立、光学精度の調整
等に対して大きく寄与する。

本実施例において被測定回転物体が放射格子６
の１ピツチ分だけ回転するとｍ次の回折光の位相
は2mπだけ変化する。同様に放射格子６により再
回折されたｎ次の回折光の位相は2nπだけ変化す
る。これにより全体として受光手段からは（2m
−2n）個の正弦波形が得られる。本実施例では
このときの正弦波形を検出することにより回転量
を測定している。

例えば回折格子のピツチが3.2μm、M₁及びM₂
から得られる回折光として１次及び−１次を利用
したとすれば回転物体がピツチの3.2μm分だけ回
転したとき受光素子からは４個の正弦波形が得ら
れる。即ち正弦波形１個当りの分解能として回折
格子１ピツチの1/4の3.2／４＝0.8μmが得られる。

本実施例では光分割器１３により光束を２分割
し各々の光束間90度の位相差をつけることにより
回転物体の回転方向も判別出来るようにしてい
る。

尚、回転量のみを測定するのであれば光分割面
１３、偏光板１４，１６及び一方の受光手段は不
要である。又、正弦波形周波数を計測することに
より容易に回転物体の回転速度を求めることもで
きる。

本実施例では回転中心に対して略点対称の２つ
の位置M₁，M₂からの回折光を利用することによ
り回転物体の回転中心と放射格子の中心０との偏
心にる測定誤差を軽減させている。

更に一方の光束の回転軸中心寄りの光束要素と
略点対称な位置に入射させた他方の光束の回転軸
中心寄りの光束要素とを互いに重なり合わせ、同
様に回転中心の外側寄りの光束要素同志を重ね合
わせることにより、ロータリーエンコーダ特有の
放射格子の外側と内側のピツチの違いより生じる
波面収差の影響を除去している。

本実施例では光分割面４から反射手段９，１１
に至る特定次数の回折光の往復の光路を同一とす
ることにより、光分割面４における２つの回折光
束の重なり具合を容易にし、装置全体の組立精度
を向上させている。

尚、本実施例において1/4波長板８を光学部品
３と放射格子６との間に配置しても良い。他の1/
４波長板１０も同様である。又、本実施例は偏光
ビームスプリツターと内面反射型のプリズムの量
機能を有する光学部品３を用いており、この種の
特定形状の偏光プリズムを用いることにより光学
部品数を少なくし、かつ各光学部品の組立精度の
向上を図ると共に装置全体の小型化を図つてい
る。

又、本実施例に於いては、異なる次数の回折光
を放射格子６上の位置M₁，M₂から得る為に、反
射鏡５及び７の位置と反射面の光束に対する傾き
を工夫している。ここではM₁及びM₂に於いて相
異なる次数の回折光が双方共放射格子から垂直に
出射する様に構成しているが、反射鏡５及び７を
同じ様なある角度で傾けて光分割面４で分割され
た反射光束及び透過光束をM₁及びM₂の放射格子
に対して垂直に入射させ、夫々の位置から出射す
る所定次数の回折光の出射方向に反射手段を適宜
配置しても良い。

この種の装置構成や互いに干渉縞を形成すべき
回折光の次数の選択は多種多様であり、本発明の
思想に基づき種々のエンコーダが構成出来ること
は言うまでもない。例えば、本実施例では光学部
材３を用いて部品数を減らしているが、複数のミ
ラーやプリズム、光分割器等を組合せて構成して
も良く、装置の仕様やコスト、製作の容易性等々
を考慮して本エンコーダの構成を決めれば良いの
である。

又、第１図の構成では、所定の光分割面に対し
て、レーザから放射する光束の偏光方位が所定の
所望の角度45゜となる様に半導体レーザの配置を
工夫しているが、これとは逆に光分割面の直交偏
波面を既知の光束の偏光方位を鑑みて決め、即ち
45゜にして光学部品を構成しても良い。

尚、本発明において使用する反射格子は、透光
部と遮光部から成る所謂振幅型の回折格子、互い
に異なる屈折率を有する部分から成る位相型の回
折格子である。特に位相型の回折格子は、例えば
透明円盤の円周上に凹凸のレリーフパターンを形
成することにより作成出来、エンボス、スタンパ
等のプロセスにより量産が可能である。

又、以上の説明では主として透過回折光を利用
するエンコーダーを示してるが、本発明に於いて
は反射回折光を利用する方式や反射回折光と透過
回折光の双方を利用する方式のエンコダーが適用
出来る。特に反射回折光を利用する方式は回折格
子又は移動もしくは回転物体の一方の側に全て光
学素子を配置することが出来、エンコーダーの用
途によつては装置構成上のメリツトが生じる。

〈発明の効果〉 以上、本発明に係るエンコーダーは、装置の部
品数が少なくて済み、これにより特にコストの減
少に対する寄与が大なる高分解能エンコーダーで
あり、簡便な手法により所望の光分割を成し得る
装置である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るエンコーダーの一実施例
を示す図。第２図は第１図に於る光分割面の機能
説明図。第３図はエンコーダーの従来例を示す模
式図。 １……レーザ、２……コリメータレンズ、３…
…光学部品、４……光分割面、５，７……反射
鏡、６……放射格子、８，１０，１２……1/4波
長板、９，１１……キヤツツアイ光学系、１３…
…光分割器、１４，１６……偏光板、１５，１７
……受光手段、M₁，M₂……放射格子上の光束入
射位置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 放射状の回折格子が形成してある円盤の回転
   状態を検出するエンコーダーにおいて、波長λの
   直線偏光光を放射する半導体レーザーと偏光ビー
   ムスプリツターと前記半導体レーザーが放射した
   直線偏光光を前記偏光ビームスリツターに向ける
   指向手段とを有し、前記半導体レーザー及び前記
   指向手段は前記直線偏光光が前記偏光ビームスプ
   リツターに入射する際の前記直線偏光光の偏光方
   向が前記偏光ビームスプリツターの直交偏波面の
   直交軸に対して45度を成すよう配置され、更に、
   前記偏光ビームスプリツターにより前記直線偏光
   光が分割されて生じた一対の偏光光を前記放射状
   回折格子の前記円盤の中心に関してほぼ対称な２
   箇所に入射せしめるべく前記一対の偏光光の各偏
   光光毎に設けた入射手段と、前記放射状回折格子
   の前記２箇所から生じる１次回折光の各々を該１
   次回折光が生じた箇所に戻して再回折せしめ、前
   記２箇所から生じる１次の再回折光を前記入射手
   段を介して前記偏光ビームスプリツターに入射さ
   せるよう前記１次回折光毎に設けたキヤツツアイ
   光学系とを有し、前記各入射手段又は前記各キヤ
   ツツアイ光学系は前記偏光ビームスプリツターか
   らの偏光光の偏光方向に対して前記偏光ビームス
   プリツターに入射させる１次の再回折光の偏光方
   向を直交せしめるλ／４板を備え、更に、前記偏
   光ビームスプリツターにより合成された前記各１
   次の再回折光同士を互いに干渉せしめることによ
   り干渉光を形成し、該干渉光を前記円盤の回転状
   態を示す信号に変換する手段を有することを特徴
   とするエンコーダー。 ２ 前記キヤツツアイ光学系は、レンズと該レン
   ズのほぼ焦点位置に設けた反射鏡とを備えること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載のエンコ
   ーダー。 ３ 前記キヤツツアイ光学系は、両端が平面より
   成る屈折率分布型レンズと該レンズの一方の端面
   に設けた反射膜とを備えることを特徴とする特許
   請求の範囲第２項記載のエンコーダー。