JPH06194189A - 光エンコーダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 部品数を減らして、小型化、低価格化を図
る。 【構成】 ＴＥモードとＴＭモードの偏光制御可能な半
導体レーザ１を用いる。ビームスプリッタ３からミラー
５に至る光路中に複屈折板４を配置する。複屈折板４は
光ビームの偏光方向によってその屈折率が異なる。すな
わち、ＴＥモードとＴＭモードとで、その通過光ビーム
の光路長差が異なる。半導体レーザ１の偏光モードをＴ
Ｅ／ＴＭモード間で高速で切り替えると、複屈折板４で
の光路長差で設定される位相差の変調を受けながら光検
出器１１より光検出出力を得ることができ、ＴＭモード
での光検波出力とＴＥモードでの光検波出力とを分離し
て取り出すことにより、回折格子スケール９の移動量に
加え、その移動方向を判断することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、光学的に測定対象物
体の移動量を測定するリニアエンコーダやロータリエン
コーダ等の光エンコーダに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の光エンコーダの光学構成を図５に
示す。この光エンコーダは、回折格子スケール１１９の
移動量を、光ビーム１１２と１１８の回折光ビーム１２
０の干渉により、光強度の変化に変換して検出する。こ
のため、半導体レーザ１０１とレンズ１０２により生成
された光ビーム１０５を、１／２波長板１０３で偏光方
向を紙面と紙面の垂直面との４５度の方向に設定し、偏
光特性のないビームスプリッタ１０４で２つに分割す
る。

【０００３】一方の光ビームはビームスプリッタ１０４
を透過した後、偏光ビームスプリッタ１０６により紙面
に平行な偏光ビーム（Ｐ波）と紙面に垂直な偏光ビーム
（Ｓ波）とに分割され、Ｐ波成分はミラー１１１へ向か
って透過される。一方、Ｓ波成分は、偏光ビームスプリ
ッタ１０６で反射され、１／４波長板１０７を透過して
円偏光になり、ミラー１０８で反射し、再び１／４波長
板１０７を透過してＰ波偏光となり偏光ビームスプリッ
タ１０６に入射・透過し、さらにミラー１１０と１／４
波長板１０９によって再びＳ波偏光に変換され、偏光ビ
ームスプリッタ１０６でＳ波成分はミラー１１１へ向か
って反射される。

【０００４】ビームスプリッタ１０４で反射された他方
の光ビームは、偏光ビームスプリッタ１１３により紙面
に平行な偏光ビーム（Ｐ波）と紙面に垂直な偏光ビーム
（Ｓ波）とに分割され、Ｐ波成分はミラー１１７へ向か
って透過される。一方、Ｓ波成分は、偏光ビームスプリ
ッタ１１３で反射され、１／４波長板１１４を透過して
円偏光になり、ミラー１１６で反射し、再び１／４波長
板１１４を透過してＰ波偏光となり偏光ビームスプリッ
タ１１３に入射・透過し、さらにミラー１３０と１／４
波長板１３１によって再びＳ波偏光に変換され、偏光ビ
ームスプリッタ１１３でＳ波成分はミラー１１７へ向か
って反射される。

【０００５】ここで、１／４波長板１１４とミラー１１
６との間には平行平板１１５が挿入されて光路長の調整
が行われ、偏光ビームスプリッタ１０６を介した光ビー
ムのＳ波成分とＰ波成分との光路長差と、偏光ビームス
プリッタ１１３を介した光ビームのＳ波成分とＰ波成分
との光路長差との、両者の光路長差の差が半導体レーザ
１０１の波長の１／４になるように設定してある。

【０００６】したがって、ミラー１１１と１１７で入射
角±θで交差する光ビーム１１２と１１８とのＳ波成分
とＰ波成分のそれぞれの干渉縞の位相差は９０度とな
る。光ビーム１１２と１１８の回折格子スケール１１９
の回折光ビーム１２０は、偏光ビームスプリッタ１２１
によりＳ波成分とＰ波成分が分けられた後、光検出器１
２３と１２４でその干渉光強度が検出される。

【０００７】図６（ａ）および（ｂ）は、回折格子スケ
ール１１９の移動量ｘに対する光検出器１２３および１
２４からの出力波形を示したもので、Ｌは１／２スケー
ルピッチに相当し、両方の光検出出力の位相差δＬは９
０度となる。両方の波形の出力を比較することで、回折
格子スケール１１９の移動量に加え、その移動方向を判
断することができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の光エンコーダによると、スケールの移動量の
検出信号（スケール信号）として９０度位相のシフトし
た２つの信号を得るために、互いに直交する偏光で同一
光路を通り、光路長のわずかに異なる光ビームの干渉光
学系を構成する必要があり、ビームスプリッタや光学波
長板やミラーなど多くの光学部品を必要とし、またそれ
らの調整により、装置が大型、高価になる欠点があっ
た。また、回転するスピンドルモータの回転速度制御に
光エンコーダを使用する場合には、回転方向が一定であ
るため方向判別をする必要がなく光エンコーダは１相の
スケール信号を得ればよいが、この場合でもビームスプ
リッタやミラーなどの多くの光部品とその調整が必要で
あり、装置が大型で高価になる欠点があった。

【０００９】本発明はこのような課題を解決するために
なされたもので、その目的とするところは、部品数を減
らして、小型化、低価格化を図ることのできる光エンコ
ーダを提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本願の第１発明（請求項１に係る発明）は、
その偏光モードをＴＥ／ＴＭモード間で選択的に切り替
え可能な光源と、この光源からの第１および第２の干渉
光ビームが交差する位置にあって測定対象物体に付随し
て移動する回折格子スケールと、第１の干渉光ビームの
生成光路中にあってＴＥモードとＴＭモードとでその通
過光ビームの光路長を異ならせる複屈折手段と、回折格
子スケールからの回折光ビームの干渉光強度を検出する
光検出手段とを備えたものである。また、その第２発明
（請求項２に係る発明）は、第１発明において、光源の
偏光モードをＴＥ／ＴＭモードへ交互に切り替える偏光
モード切替手段と、光検出手段の検出出力を第１および
第２のサンプルホールド手段へ与え、偏光モード切替手
段による偏光モードの切替に同期して、第１および第２
のサンプルホールド手段でのサンプルホールドを切り替
えながら、ＴＥモードでの検出出力およびＴＭモードで
の検出出力を分離して取り出す手段とを備えたものであ
る。

【００１１】

【作用】したがってこの発明によれば、その第１発明で
は、光源からの第１および第２の干渉光ビームが回折格
子スケール上で交差し、回折格子スケールからの回折光
ビームの干渉光強度が光検出手段で検出される。第１の
干渉光ビームの生成光路中に配置された複屈折手段での
通過光ビームの光路長は、光源の偏光モードがＴＥモー
ドである場合とＴＭモードである場合とで異なる。この
ため、光源の偏光モードがＴＥモードである場合とＴＭ
モードである場合とで、光検出手段で検出される回折光
ビームの干渉光強度に位相差が生じる。また、その第２
発明では、光検出手段での検出出力が第１および第２の
サンプルホールド手段へ与えられ、光源の偏光モードを
ＴＥ／ＴＭモードへ交互に切り替えると、この偏光モー
ドの切替に同期してＴＥモードでの検出出力（１相目の
スケール信号）とＴＭモードでの検出出力（２相目のス
ケール信号）とが分離して取り出される。

【００１２】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づき詳細に説明す
る。

【００１３】図１は本発明の第１実施例を示す光学構成
図である。同図において、１はその偏光モードをＴＥ／
ＴＭモード間で選択的に切り替え可能な半導体レーザ、
１ａ，１ｂはこの半導体レーザ１の電極、２はレンズ、
３はビームスプリッタ、４は水晶や方解石や酸化チタン
などの複屈折性を有する材料でできた平行平板よりなる
複屈折板、５，６はミラー、７，８は干渉光ビーム、９
は測定対象物体（図示せず）に付随して移動する回折格
子スケール、１０は回折光ビーム、１１は光検出器であ
る。

【００１４】ここで、ＴＥモードおよびＴＭモードの偏
光制御可能な半導体レーザ１は、特願平４−４２３１３
号（先行出願）に代表される構造で、電極１ａと１ｂへ
の電流注入量を制御することにより選択的に偏光モード
を制御することができるが、レーザの構造や発振動作原
理などの詳細な説明は上記先行出願に記述されているの
で省略する。

【００１５】半導体レーザ１とレンズ２で生成された光
ビームはビームスプリッタ３で２つの光ビームに分割さ
れる。一方の光ビームは、複屈折板４を透過した後、ミ
ラー５で反射し、干渉光ビーム７とされる。他方の光ビ
ームは、ミラー６でそのまま反射し、干渉光ビーム８と
される。干渉光ビーム７と８とは回折格子スケール９上
で交差し、回折格子スケール９からの回折光ビーム１０
が光検出器１１へ与えられる。光検出器１１は回折光ビ
ーム１０の干渉光強度を検出する。

【００１６】回折格子スケール９の図示ｘ方向への線形
な移動に伴い、光検出器１１で検出される干渉光強度は
正弦波状に変調され、回折格子スケール９が１ピッチ移
動する毎に干渉光強度は２周期分変調される。

【００１７】ここで、半導体レーザ１の偏光モードをＴ
Ｅ／ＴＭモード間でり切り替えると、ビームスプリッタ
３からミラー５に至る光路（干渉ビーム７の生成光路）
の光路長を電気的に変化させることができる。これは、
複屈折板４が水晶や方解石や酸化チタンなどの複屈折性
を有する材料でできた平行平板よりなり、光ビームの偏
光方向によって屈折率が異なるためである。

【００１８】すなわち、レーザの波長をλ、複屈折板４
の偏光による屈折率差をδｎ、複屈折板４の厚みをＴと
すると、偏光方向の違いによる光路長差δφはＴ／（λ
・δｎ）で与えられる。ここで、δφ＝１／４となるよ
うに複屈折板４の定数を設定すると、半導体レーザ１の
偏光モードをＴＥ／ＴＭモード間で切り替えたときに、
ＴＥモードでの回折光ビーム１０の干渉光強度とＴＭモ
ードでの回折光ビーム１０の干渉光強度とは位が１／４
周期ずれる。

【００１９】したがって、回折格子スケール９の移動に
よる光検出器１１の光検出出力の変調周期に比べ十分短
い周期で、半導体レーザ１の偏光モードをＴＥとＴＭと
のモード間で切り替えると、複屈折板４での光路長差で
設定される位相差δφの変調を受けながら光検出器１１
よりスケール位置の検出出力を得ることができる。これ
について、図２および図３を用いて、さらに具体的に説
明する。

【００２０】図２（ａ）は光検出器１１の光検出出力、
図２（ｂ）は半導体レーザ１へのＴＥ／ＴＭモード制御
信号、図２（ｃ）はＴＥモードでの光検波出力（１相目
スケール信号）、図２（ｄ）はＴＭモードでの光検波出
力（２相目スケール信号）を示す。図３は図２（ｃ）お
よび（ｄ）に示した２相のスケール信号を得るための信
号処理回路である。

【００２１】図３において、４０は光検出器１１からの
光検出出力（図２（ａ））、４１はＴＥ／ＴＭモード制
御信号（図２（ｂ））、４２はＴＥモードでの光検波出
力（図２（ｃ））、４３はＴＭモードでの光検波出力
（図２（ｄ））、５１は光検出出力４０を増幅出力する
増幅器、５２は反転器、５３，５４はサンプルホールド
回路である。

【００２２】図１において、図示せぬ偏光モード切替手
段を用いて、半導体レーザ１の偏光モードをＴＥ／ＴＭ
モードへ交互に切り替えると、光検出器１１からの光検
出出力４０は、偏光による光路長差δφの変調を受けな
がら、回折格子スケール９の移動量に応じて正弦波状に
変調される。

【００２３】ここで、δφ＝１／４に設定し、増幅器５
１により増幅された光検出出力４０をサンプルホールド
回路５３，５４へ与え、ＴＥ／ＴＭモード制御信号４１
に同期して、両者のサンプルホールドの極性を切り替え
て信号を出力すると、ＴＭモードでの光検波出力４３と
ＴＥモードでの光検波出力４２とを分離して取り出すこ
とができる。

【００２４】ＴＥモードでの光検波出力４２とＴＭモー
ドでの光検波出力４３とは、互いに９０度位相のずれた
信号であり、その大小関係を比較することにより、回折
格子スケール９の移動量に加え、その移動方向を判断す
ることができる。

【００２５】図４は本発明の第２実施例を示す光学構成
図である。同図において、２１はその偏光モードをＴＥ
／ＴＭモード間で選択的に切り替え可能な半導体レー
ザ、２２，２３は導波路、２４は複屈折導波路、２５，
２６はレンズ、２７，２８は干渉光ビーム、２９は回折
格子スケール、３０は回折光ビーム、３１はレンズ、３
２は光検出器である。

【００２６】導波路２２，２３は、石英やＰＭＭＡやポ
リイミドなどの材料で作られており、屈折率ガイド層を
有し、光路を曲げて半導体レーザ２１の両端に形成され
ている。複屈折導波路２４は、導波路２３の一部、すな
わち干渉ビーム２８の生成光路中に挿入されている。複
屈折導波路２４での複屈折性は、ポリイミドやポリカー
ボネイトなどの光弾性効果のある材料に応力を与えて得
るものとしてもよいし、水晶や酸化チタンなどの光学異
方性材料を用いることで得るものとしてもよい。導波路
２２，２３の端部に配置されたレンズ２５，２６は、酸
化珪素や窒化珪素を混積して垂直方向には屈折率分布、
水平方向には非球面形状をもって形成されている。ま
た、光検出器３２の前面に配置されたレンズ３１も、レ
ンズ２５，２６と同様に形成されている。

【００２７】導波路２２，２３より出射された光ビーム
は、レンズ２５，２６を通って干渉ビーム２７，２８と
され、コリメートされながら照射され、回折格子スケー
ル２９上で交差する。回折格子スケール２９からの回折
光ビーム３０は、レンズ３１により光検出器３２に集光
される。光検出器３２は回折光ビーム３０の干渉光強度
を検出する。

【００２８】ここで、複屈折導波路２４は、実施例１で
示した複屈折板４と同様、光ビームの偏光方向によって
その屈折率が異なり、ＴＥモードとＴＭモードとでその
通過光ビームの光路長差を１／４波長に設定すれば、回
折格子スケール２９の移動時の光検出器３２の光検出出
力の位相差を９０度とすることができる。

【００２９】したがって、回折格子スケール２９の移動
による光検出器３２の光検出出力の変調周期に比べ十分
短い周期で、半導体レーザ２１の偏光モードをＴＥ／Ｔ
Ｍモード間で切り替えると、複屈導波路２４での光路長
差で設定される位相差９０度の変調を受けながら光検出
器３２よりスケール位置の検出出力を得ることができ
る。

【００３０】ＴＥモードでの光検波出力とＴＭモードで
の光検波出力との取り出し、すなわち２相のスケール信
号の取り出しは、図２および図３を用いて説明した実施
例１の場合と同様にして行い、この分離して得られる互
いに９０度位相のずれたＴＥモードでの光検波出力とＴ
Ｍモードでの光検波出力とにより、回折格子スケール２
９の移動量に加え、その移動方向を判断することができ
る。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したことから明らかなように本
発明によれば、従来の光エンコーダで２相のスケール信
号を得るために必要であった偏光ビームスプリッタや光
学波長板などの多くの光部品とその調整を不要とし、そ
の偏光モードをＴＥ／ＴＭモード間で選択的に切り替え
可能な光源とＴＥモードとＴＭモードとでその通過光ビ
ームの光路長を異ならせる複屈折手段により、回折光ビ
ームを干渉光強度検出して２相のスケール信号を得るこ
のとできる光学系を容易に構成することが可能となり、
小型化、低価格化を促進することができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す光学構成図である。

【図２】図３に示した信号処理回路の動作を説明するた
めの各部の信号波形図である。

【図３】第１実施例において２相のスケール信号を得る
ための信号処理回路を示す図である。

【図４】本発明の第２実施例を示す光学構成図である。

【図５】従来の光エンコーダの光学構成図である。

【図６】従来の光エンコーダでの回折格子スケール移動
時の各光検出器の出力信号を示す図である。

【符号の説明】 １ 半導体レーザ ２ レンズ ３ ビームスプリッタ ４ 複屈折板 ５，６ ミラー ７，８ 干渉光ビーム ９ 回折格子スケール １０ 回折光ビーム １１ 光検出器 ４０ 光検出出力 ４１ ＴＥ／ＴＭモード制御信号 ４２ ＴＥモードでの光検波出力 ４３ ＴＭモードでの光検波出力 ５３，５４ サンプルホールド回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 澤田 廉士 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光学的に測定対象物体の移動量を測定す
   る光エンコーダにおいて、 その偏光モードをＴＥ／ＴＭモード間で選択的に切り替
   え可能な光源と、 この光源からの第１および第２の干渉光ビームが交差す
   る位置にあって前記測定対象物体に付随して移動する回
   折格子スケールと、 前記第１の干渉光ビームの生成光路中にあってＴＥモー
   ドとＴＭモードとでその通過光ビームの光路長を異なら
   せる複屈折手段と、 前記回折格子スケールからの回折光ビームの干渉光強度
   を検出する光検出手段とを備えたことを特徴とする光エ
   ンコーダ。
2. 【請求項２】 請求項１において、 光源の偏光モードをＴＥ／ＴＭモードへ交互に切り替え
   る偏光モード切替手段と、 光検出手段の検出出力を第１および第２のサンプルホー
   ルド手段へ与え、前記偏光モード切替手段による偏光モ
   ードの切替に同期して、前記第１および第２のサンプル
   ホールド手段でのサンプルホールドを切り替えながら、
   ＴＥモードでの検出出力およびＴＭモードでの検出出力
   を分離して取り出す手段とを備えたことを特徴とする光
   エンコーダ。