JP2774568B2 - ロータリーエンコーダー - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 本発明はロータリーエンコーダーに関し、特に円周上
に例えば透光部と反射部の格子規模を複数個周期的に形
成した放射状の回折格子を有する回転スケールに光束を
照射し、該回折格子からの回折光を利用して回転スケー
ルの回転角度や速度を光電的に検出するロータリーエン
コーダーに関するものである。

〔従来技術〕

従来から、回転物体に連結した円板（スケール）の周
上に回折格子を設け、該回折格子にレーザー光を照射
し、回折格子で発生する回折光を干渉させ、該干渉光の
明暗変化を検出して、円板の回転角度や回転速度を検出
するロータリーエンコーダーが知られている。

第12図（ａ），（ｂ）は、特開昭63−91515号に記載
されている従来のロータリーエンコーダーの構成図であ
る。同図において１はレーザー、２は回折格子を有する
スケール、３は反射プリズム、４は偏光プリズム、51,5
2は受光素子、６はスケール２の回転軸である。第12図
において、レーザー１を出射した光束は、回折格子２の
位置M₁にほぼ垂直に入射する。M₁で発生する±１次回折
光を、反射プリズム３の第１直角反射面3aで直角方向に
反射させ、反射プリズム３の側面3c、3dで２回ずつ全反
射させたのち、反射プリズム３の第２直角反射面3bで再
度直角方向に反射させて、回折格子２の位置M₂に入射さ
せる。第12図（ｂ）は、反射プリズム３内の光路説明図
で、第12図（ａ）の下側から見た平面図である。第12図
（ｂ）に示す如く、M₁で発生した±１次の回折光は、回
折角α＋，α−で出射し、反射プリズム３の側面3c,3d
で全反射する。そして、反射プリズム３内の中心付近で
交差し、側面3c,3dでさらに全反射して、前記の回折角
α＋，α−と同一の角度で、回折格子２の位置M₂に入射
する。すると、M₂における±１次再回折光は、M₁におけ
るレーザー１からの入射光と平行で、逆向きに、重なり
合って、回折格子２を出射する。そして、この干渉した
±１次再回折光を偏光プリズム４を介して、受光素子5
1,52で受光している。±１次回折光は、回折格子２が１
格子ピツチ分回転すると、その位相が±２π変化する。
同様にして、±１次再回折光は、１格子ピツチの回転に
対して、位相が±４π変化する。従って、第12図の如
く、±１次再回折光同志を干渉させると、受光素子51,5
2からは、スケール２の格子１ピツチ分の回転で４周期
分の正弦波信号が得られる。格子の総数をＮ本とすれ
ば、１回転で4N周期分の正弦波信号が得られる。尚、第
12図において、M₁とM₂は回転軸６の回転中心に対して、
互いにほぼ点対称な位置関係にあり、このことによりス
ケール２の回転軸６への取付けに際して、偏心があって
も、測定誤差を生じないようにしている。さらに、受光
素子51,52からは、レーザー１の直線偏光と、反射プリ
ズム３内での全反射による楕円偏光と、偏光プリズム４
の組み合わせにより、90゜位相差信号が得られ、回折格
子２の回転方向も判別できるようになっている。

上記のように構成されている従来例では、以下のよう
な問題点が生ずる。

（１）干渉させる±１次回折光の光路が反射プリズム３
内で、別光路を通過する。このため、周囲の温度変化な
ど環境変化に対して測定誤差を生じ易い、特に、スケー
ル２の直径が大きくなればなる程、反射プリズム３内の
光路、すなわち非共通光路の部分が長くなって誤差が生
じ易い。また、このような環境変化に対してレーザーの
発振波長が変化すると、±１次回折光の光路が変化し、
第１次回折光が位置M₂に入射しなくなる。

（２）回転軸６に対してスケール２の回折格子形状面が
相対的に傾くと、M₁で発生した回折光がM₂に再入射しな
くなるので、前述の偏心の影響を受けて測定誤差が生じ
る。

〔発明の概要〕

本発明の目的は、上記従来例の問題点を解消し、環境
変化やスケール２の傾きなどによる測定誤差が生じにく
い、高精度のロータリー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の本発明のロータリーエンコー
ダのある形態は、光源からの光束を２つの光束に分割
し、分割された光束の一方の光束を回転スケールの第１
の位置に入射せしめ該第１の位置に入射する時の光路と
ほぼ同じ光路へ向かって反回折する第１の回折光と、分
割された光束の他方の光束を該第１の位置に入射せしめ
該第１の位置に入射する時の光路とほぼ同じ光路へ向か
って回折する第２の回折光とを共通の光路に進ませる第
１のビームスプリッタと、共通の光路を進む前記第１、
第２の回折光を分離し、分離された前記第１の回折光を
前記回転スケールの回転中心に関して前記第１の位置と
ほぼ点対称な第２の位置に入射せしめ該第２の位置に入
射する時の光路とほぼ同じ光路へ向かって回折する第１
の再回折光と、分離された前記第２の回折光を該第２の
位置に入射せしめ該第２の位置に入射する時の光路とほ
ぼ同じ光路へ向かって回折する第２の再回折光とを合成
する第２のビームスプリッタと、前記第１、第２の再回
折光が合成された光束を検出する光検出器と、該共通の
光路中に該第１の位置と該第２の位置を共役関係にする
光学系とを有することを特徴とする。

本発明のロータリーエンコーダの他のある形態は、光
源からの光束を２つの光束に分割し、分割された光束の
一方の光束を回転スケールの第１の位置に入射せしめ該
第１の位置で回折する第１の回折光と、分割された光束
の他方の光束を該第１の位置に入射せしめ該第１の位置
で回折する第２の回折光とを共通の光路に進ませる第１
のビームスプリッタと、共通の光路を進む前記第１、第
２の回折光を前記回転スケールの回転中心に関して前記
第１の位置とほぼ点対称な第２の位置に入射せしめ、該
第２の位置で回折する前記第１の回折光の第１の再回折
光と前記第２の回折光の第２の再回折光とを合成する第
２のビームスプリッタと、前記第１、第２の再回折光が
合成された光束を検出する光検出器と、該共通の光路中
に該第１の位置と該第２の位置を共役関係にする光学系
とを有することを特徴とする。

本発明の更なる特徴と具体的形態は後述する実施例に
記載されている。

〔実施例〕

第１図は本発明の第１実施例を示す斜視図であり、同
図において１はレーザーダイオードなどから成る光源、
20はコリメータレンズ、31,32,33はプリズム、41,42は
偏光ビームスプリツター面、５はスケールを成す回転デ
イスク板（回折格子）、60,61,62,63はミラー、71,72,7
3は1/4波長板、８は1/2波長板、９は非偏光ビームスプ
リツター、10,11は偏光素子（例えば偏光板や偏光プリ
ズム）、12,13はレンズ、S1,S2は受光素子である。

光源１から射出した波長λのレーザー光束をコリメー
タレンズ20によって平行光束にし、プリズム31に入射さ
せプリズム31の所定箇所に設けたミラーや偏光ビームス
プリツター面41によって対称な光路L1,L2に沿って進む
２光束に分割し、各々の光束R1,R2をミラー60で反射せ
しめて1/4波長板71を通過させてから、回転デイスク板
５上に設けた格子ピツチＰを有する放射状回折格子の第
１の点（M1）に同時に入射させる。ここで、回折格子で
回折して点M1から出射する複数の回折光のうち、光束R1
の＋１次反射回折光と光束R2の−２次反射回折光が各々
元の光路L1,L2を逆進する方向に放射するように、あら
かじめ光束R1,R2の入射角θ_０をθ_０＝sin^-1（λ/2P）
に設定しておく。また光束R1とR2は、偏光ビームスプリ
ツター面41で分割された時点で偏光面が互いに直交した
直線偏光になっているが、1/4波長板71を往復通過する
ことで、光束R1とR2の偏光面が入れ替わる。即ち、R1は
偏光ビームスプリツター面を透過した直線偏光（Ｐ偏
光）であるから、光束R1の＋１次回折光（R1＋）は1/4
波長板71と介してＳ偏光となり、偏光ビームスプリツタ
ー面41で反射してプリズム31から出射する。また光束R2
は偏光ビームスプリツター面41で反射した直線偏光（Ｓ
偏光）であるから、光束R2の−１次回折光（R2−）は1/
4波長板71を介してＰ偏光となり、偏光ビームスプリツ
ター面41を透過してプリズム31から光束（R1＋）と重な
りあって出射する。光束（R1＋）と光束（R2−）は重な
りあったままレンズ12の中心（光軸）を透過し、プリズ
ム33のミラー61,62により反射されて伝送せしめられ、1
/2波長板８を通過して、レンズ13の中心（光軸）を透過
してプリズム32に入射する。そしてプリズム32の所定箇
所に設けたミラーや偏光ビームスプリツター面42によっ
て、光束（R1＋）を光路L3に沿って進行せしめ、光束
（R2−）を光路L4に沿って進行せしめる。光束（R1＋）
と光束（R2−）は各々ミラー63で反射して1/4波長板72
を通過した後に、回転デイスク板５上に設けた放射状回
折格子の第２の点（M2）に角度θ_０で入射する。ここ
で、1/2波長板８は＋１次回折光（R1＋）の偏光面をＳ
偏光からＰ偏光に変換し、−１次回折光（R2−）の偏光
面をＰ偏光からＳ偏光に変換している。また、放射状回
折格子の点M1と点M2は回転デイスク板５の回転軸０に対
して対称な位置関係に設定しておく。回折格子で反射回
折して点M2より出射した複数の反射回折光のうち光束
（R1＋）の＋１次再回折光（R1＋＋）は元の光路L3を逆
進し、1/4波長板72を再び通過してＳ偏光となり、プリ
ズム32内の偏光ビームスプリツター面42で反射されてプ
リズム32から射出し、光束（R2−）の−１次回折光（R2
−−）は元の光路L4を逆進し、1/4波長板72を再び通過
してＰ偏光となり、プリズム32内の偏光ビームスプリツ
ター面42を透過して＋１次再回折光（R1＋＋）と重なり
あってプリズム32から出射する。重なりあった２光束は
1/4波長板73を通過することにより互いに偏光面が逆向
きに回転する円偏光となるので、この互いに逆回りの円
偏光同志が合成された光束の偏光状態は直線偏光とな
る。この直線偏光光束の偏光方位は回転デイスク板５の
回転に応じて変化する＋１次再回折光（R1＋＋）と−１
次再回折光（R2−−）の波面の位相差によって決まり、
位相差が0,π/4,2π/4,3π/4,4π/4,5π/4,…,8π/4と
変化していく間に直線偏光光束の偏光方位は45゜,67.5
゜,90゜,112.5゜,135゜,157.5゜，…,225゜（45゜）と
回転していく。そこで、この光束を非偏光ビームスプリ
ツター９にて等光量の２光束に分割した後、一方の光束
を偏光素子10を用いて特定の偏光成分のみを分離して取
り出して受光素子S1に入射させ、もう一方の光束を偏光
素子11を用いて特定の偏光成分のみを分離して取り出し
て受光素子S2に入射させれば、受光素子S1,S2からそれ
ぞれ回転デイスク板５の回転量に応じた周期的な信号が
出力される。ここで偏光素子10と11で取り出す偏光成分
を互いに45゜ずらしておけば、受光素子S1,S2に入射す
る干渉光の明暗変化のタイミングが互いに1/4周期（出
力信号の位相でπ/2）だけずれる。これらの互いに90゜
位相がずれた２相の周期信号に周知の電気的な増幅や二
値化の処理をしてやれば回転デイスク板５の回転角度や
回転方向を検出することができる。

本実施例のロータリーエンコーダーでは、光束R1が回
折格子に入射する時の光路L1と光束R1の＋１次反射回折
光R1＋が射出して向かう光路とがほぼ等しく、又、光束
R2が回折格子に入射する時の光路L2と光束R2の−１次反
射回折光R2−が射出して向かう光路とがほぼ等しく設定
されており、この条件は±１次反射回折光の光路L3,L4
と±１次再回折光の各光路に関しても満たされているの
で、回転デイスク板５の放射状回折格子の格子ピツチＰ
が光源１からの光束の波長λと同程度の小さな値になっ
ても、光束R1,R2の点M1及びM2に対する入射角や±１次
回折光と±１次再回折光の射出角を30゜程度にすること
ができる。従って、従来のエンコーダーのように格子ピ
ツチＰを細かくすると回折光の取り出しが困難になると
いった問題が生じにくく、高分解能なエンコーダーを構
成している。

ここで、本実施例において＋１次回折光R1＋と−１次
回折光R2−が重なり合った光路、即ち偏光ビームスプリ
ツター面41,42を結ぶ両光束の共通光路に設けたレンズ1
2、レンズ13、ミラー61、ミラー62は、次の条件を満た
すように配置される。

まず、回転デイスク板５上の点M1を中心とする有限の
領域がレンズ12によって点P3を中心とする有限の領域
（中間像面）に写像され、更にこの点M3を中心とする有
限の領域がレンズ13によってデイスク板５上の点M2を中
心とする有限の領域に写像される。この条件により点M1
から如何なる角度で出射する光束も途中で遮られないか
ぎり、点M2に必ず入射させることができる。即ち、本実
施例ではレンズ12、レンズ13、ミラー61、ミラー62を有
する光学系によって、点M1と点M2とを光学的に共役関係
にしている。そしてこれにより測定精度の劣化を防止し
ている。

次に、点M1から出射した回折光（R1＋）の光路が光路
L1から角度Δθ₁₅（x,y成分に分解したときの角度Δθx
₁₅,Δθy₁₅）だけずれて、光路L1とは異なる光路（L5）
を進行したとき点M2に入射する光路（L7）の入射角度が
予め設定された光路L3にくらべて（−Δθx₁₅,−Δθy
₁₅）だけずれて入射するようにミラー61、ミラー62及び
ミラー60,63などの他の反射面を配置する。回折光（R2
−）の光路も同様である。この条件によって、点M2より
出射する±１次再回折光の射出方位が回転デイスク板５
の位置や姿勢によらずに一定になり、偏光ビームスプリ
ツター42で重なり合う±１次再回折光の光路が互いに常
に平行になるので、±１次再回折光（R1＋＋），（R2−
−）の重なりあわせによる干渉光を光電変換した信号が
安定する。

このことについて以下で証明する。

まず、回転デイスク板５の回転軸０（回転中心）と放
射状回折格子の中心とがΔｒだけずれている場合の光路
のずれを第２図及び第３図を用いて説明する。回転デイ
スク板５上の放射状回折格子の中心は、回転デイスク板
５の回転に伴なって回転軸０の周囲を移動し、点M1にお
ける回折格子のピツチが周期的に変動する。第２図に示
すように放射状格子の中心が点ａにあるとき点M1におけ
る回折格子のピツチはΔｐ（＝２πΔr/N、但し、Ｎは
放射状回折格子の本数）だけ細くなり、点M2における回
折格子のピツチはΔｐだけ太くなるから、点M1から出射
した光束R1の＋１次回折光（R1＋）及び光束R2の−１次
回折光（R2−）は、回転デイスク板５に対する出射角が
光路L1,L2の入射角θ₁,θ_２（θ_１＝θ_２＝θ_０）より
Δθｘだけ大きい出射角θ₅,θ_６になり、光路L1又はL2
からずれた光路L5又はL6に沿って進行してプリズム31に
戻る。そして、各光束はプリズム31より射出してレンズ
12の中心（光軸）からずれた位置に入射するが、レンズ
12の作用によって点M3を目標に進行する。そして点M3を
通過した±１次回折光（R1＋），（R2−）は1/2波長板
８（不図示）を通過した後、レンズ13によって進路を曲
げられ、プリズム32を経て、光路L7,L8を進行してθ₃,
θ_４（θ_３＝θ_４θ_０）よりΔθｘだけ小さな入射角θ
₇,θ_８で点M2に入射する。点M2は回折格子のピツチがΔ
ｐだけ太くなっているから、例えば光束（R1＋）の＋１
次回折光（R1＋＋）の出射角θ₊₊は θ₊₊＝sin^-1｛λ／（ｐ＋Δｐ）−sinθ_７｝ であるが、 θ_５＝sin^-1｛λ／（ｐ−Δｐ）−sinθ_１｝ θ_７＝２θ_１−θ_５ を代入すると、 sinθ⁺⁺＝λ／（ｐ＋Δｐ） −sin[２θ_１−sin^-1{λ／(ｐ−Δｐ)sinθ
_１}] ＝λ／（ｐ＋Δｐ）−sin［2sin^-1（λ/2p） −sin^-1｛λ／（ｐ−Δｐ）−λ/2p｝］ ＝λ（ｐ＋Δｐ） −[2(λ/2p)−{λ／(ｐ−Δｐ)−λ/2p}] ＝λ/2p 即ち、θ⁺⁺＝θ_１＝θ_３ となり、点M2より出射する＋１次再回折光（R1＋＋）の
進行方位（射出方向）は一定に保たれる。−１次再回折
光（R2−−）の進行方位（射出方向）も、同様の理由に
よって一定に保たれる。

次に、第３図に示すように放射状回折格子の中心が点
ｂにあるとき、座標系（t,r,z）（第４図参照）におけ
る入射光束のパラメータθ₁,φ_１は、 θ_１＝θ_０ φ_１＝０ であるが、点M1における回折格子の配列方位（ｔ軸）は
角度でtan^-1（Δr/r）だけずれて、t₁軸になるから、回
折格子に入射する光束R1と回折格子との関係は、第４図
のようになる。第４図において、θ₁₁は回転デイスク板
５への光束の入射角、φ₁₁［＝tan^-1（Δr/r）］は回折
格子の配列方位（t₁）とのなす角度である。またz₁軸、
r₁軸を第４図のように決め、入射光束の光路L1と各座標
軸とのなす角度を、α₁₁,β₁₁,γ₁₁とすると、 cosα₁₁＝sinθ₁₁・cosφ₁₁ …（１） cosβ₁₁＝sinθ₁₁・sinφ₁₁ …（２） γ₁₁＝θ₁₁＝θ_１ …（３） である。そこで、座標系（t₁,r₁,z₁）におけるｎ次回折
光の出射方位を求める式 sin（90−α₁₁）＋sin（90−α₁₂） ＝ｎλ/p …（４） β₁₁＋β₁₂＝180 …（５） に代入して、更に θ₁₂＝cos^-1｛（１−cos²α₁₂−cos²β₁₂）^1/2｝ φ₁₂＝tan^-1（cosβ₁₂/cosα₁₂） （α₁₂＜90） ＝tan^-1（cosβ₁₂/cosα₁₂）＋180 （α₁₂＞90） ＝90 （α₁₂＜90,β₁₂＝０） ＝−90 （α₁₂＞90,β₁₂＝０） を計算すれば良い。ここで、Δｒがｒに比べて十分小さ
く、光束R1の点M1における入射角がθ_０［＝sin^-1｛λ
・N/（２πｒ）｝］であるとき、座標系（t,r,z）にお
ける回折光（R1＋）の出射方位のパラメータθ₅,φ
_５は、 θ_５＝θ₁₂＝θ_１ φ_５＝φ₁₂＝−２・φ₁₁ であることは計算により直ちにもとまるから、第２図の
ように光束R1の＋１次回折光（R1＋）の光路L5をデイス
ク面に投影したときのｔ軸とのなす角度は−２・φ₁₁だ
けずれ、その光束が点M2に入射するときは、レンズ12、
レンズ13、ミラー61、ミラー62、その他の反射面の組み
合わせによって、入射光束の光路L7を回転デイスク板５
の格子配列面（ｔ−ｒ平面）に投影したときのｔ軸との
なす角度が−２・φ₁₁だけずれているから、その光束の
＋１次回折光（R1＋＋）を回転デイスク板５の格子配列
面に投影したときのｔ軸とのなす角度は０に戻される。
即ち、光路L3と完全に一致する。光束R2の−１次回折光
（R2−）が点M1より出射して点M2に入射したあと、点M2
から出射する−１次回折光（R2−−）の光路も同様の理
由によって、光路L4と完全に一致する。

次に、回転デイスク板５の回転軸０と回転デイスク板
５の格子配列面に立てた法線とがΔξだけ相対的に傾い
た時の光路の補正の様子を、第５図及び第６図を用いて
説明する。回転デイスク板５に対する光束R1の入射角及
び入射方位（角）は回転デイスク板５の回転に伴なって
変動するから、点M1から出射する＋１次回折光（R1＋）
の出射角θ_５及び出射方位φ_５も変動する。例えば第５
図のように回転デイスク板５の法線がｃの位置にあると
き、座標系（t,r,z）における入射光束R1のパラメータ
θ₁,φ_１は、 θ_１＝θ_０ φ_１＝０ であるが、光路L1と座標軸t₁とのなす角度α₁₁、光路L1
と座標軸r₁とのなす角度β₁₁、光路L1と座標軸z₁とのな
す角度γ₁₁の各値は、 α₁₁＝90−θ_１ …（11） cosβ₁₁＝sinα₁₁・sinΔξ …（12） cosγ₁₁＝sinα₁₁・cosΔξ …（13） であるから、座標系（t₁,r₁,z₁）における入射光束のパ
ラメータは θ₁₁＝cos^-1（sinα₁₁・cosΔξ） φ₁₁＝tan^-1（cosβ₁₁/cosα₁₁） となる。

ここで、振れの中心が回転デイスク板５の中心にある
と仮定して、回転デイスク板５上への光束R1の入射位置
は、Δｘ［＝ｒ・tanΔξ・tanθ_１］、Δｙ［＝ｒ（1/
cosΔξ−１）］だけずれて点M11になり、光束R2の入射
位置は、−Δx,Δｙだけずれて点M12になるから、光束R
1の入射点M11を中心とした座標系（t₂,r₂,z₂）における
入射光束のパラメータは、 θ₁₂＝θ₁₁ φ₁₂＝φ₁₁−tan^-1｛Δx/（Δｙ＋ｒ）｝ となり、座標軸t₂とのなす角度α₁₂、座標軸r₂とのなす
角度β₁₂、座標軸z₂とのなす角度γ₁₂の各値は、 cosα₁₂＝sinθ₁₂・cosφ₁₂ cosβ₁₂＝sinθ₁₂・sinφ₁₂ γ₁₂＝θ₁₂ となるから、座標系（t₂,r₂,z₂）における＋１次回折光
の射出方位α₁₃,β₁₃,γ₁₃を求める式 sin（90−α₁₂）＋sin（90−α₁₃） ＝＋１・λ/p₁ β₁₂＋β₁₂＝180 γ₁₃＝cos^-1｛（１−cos²α₁₃−cos²β₁₃）^1/2｝ に代入することで、α₁₃,β₁₃,γ₁₃を計算すれば良い。
ここで、Δξが０に近く、光束R1の点M1における入射角
がθ_０［＝sin^-1｛λ・N/（２πｒ）｝］で設計されて
いるとき、座標系（t,r,z）における光束（R1＋＋）の
出射光束のパラメータα₁₄,β₁₄,γ₁₄に直すと、 α₁₄＝α₁₃ cosβ₁₄＝cosΔξ・cosβ₁₃−sinΔξ・cosγ₁₃ cosγ₁₄＝sinΔξ・cosβ₁₃＋cosΔξ・cosγ₁₃ θ₅,φ_５に直せば θ_５＝γ₁₄ φ_５＝tan^-1（cosβ₁₄/cosα₁₄） （α₁₄＜90） ＝tan^-1（cosβ₁₄/cosα₁₄）＋180 （α₁₄＞90） ＝90 （α₁₄＝90,β₁₄＜90） ＝−90 （α₁₄＝90,β₁₄＞90） となる。これを計算すると、第５図のように光束R1の＋
１次回折光（R1＋１）の光路L5を回転デイスク板５の格
子配列面に投影したときのｔ軸となす角度はφ_５だけず
れ、その光束が点M21に入射するときは、レンズ12、レ
ンズ13、ミラー61、ミラー62、その他の反射面の組み合
わせによって、入射光束の光路L7を回転デイスク５の格
子配列面に投影したときのｔ軸とのなす角度がやはりφ
_７＝φ_５になるから、その光束の＋１次回折光（R1＋
＋）をデイスク面に投影したときのｔ軸とのなす角度は
０に戻される。即ち、点M21から出射する＋１次回折光
（R1＋＋）の進行方位（出射方向）は光路L3と平行にな
る。同様にして、光束R2の−１次回折光（R2−）が点M1
2より出射して点M22に入射したあと、そこから出射する
−１次回折光（R2−−）の光路も、光路L4と平行にな
る。

次に、回転デイスク板５の法線がｄの位置にあると
き、座標系（x,y,z）における入射光束R1のパラメータ
θ₁,φ_１は、 θ_１＝θ_０ φ_１＝０ であるが、光路L1と座標軸t₁とのなす角度α₁₁、光路L1
と座標軸r₁とのなす角度β₁₁、光路L1と座標軸z₁とのな
す角度γ₁₁の各値は、 α₁₁＝90−θ_１＋Δξ β₁₁＝90 γ₁₁＝θ_１−Δξ であるから、座標系（t₁,r₁,z₁）における入射光束のパ
ラメータは θ₁₁＝θ_１ーΔξ φ₁₁＝０ となる。ここで、振れの中心が回転デイスク板５の中心
にあると仮定すると、回転デイスク板５への光束R1の入
射位置はM1に一致しているから、光束R1の＋１次回折光
（R1＋）の出射方位θ₁₂,φ₁₂は、 sinθ₁₁＋sinθ₁₂＝＋１・λ/p φ₁₂＝０ 即ち、 θ₁₂＝sin^-1（＋１・λ/p−sinθ₁₁） ＝sin^-1｛２・sinθ_１−sin（θ_１−Δξ）｝ ＝θ_１＋Δξ となるから、座標系（t,r,z）における出射方位θ₅,φ
_５は、 θ_５＝θ₁₂＋Δξ ＝θ_０＋２・Δξ φ_５＝０ となる。同様に、光束R2の−１次回折光の出射方位θ₆,
φ_６は、 θ_６＝θ_０−２・Δξ φ_６＝０ となる。レンズ12、レンズ13、ミラー61、ミラー62、そ
の他の反射面の組み合わせによって点M2に入射する光束
（R1＋）の光路L7の入射方位θ_７、φ_７は θ_７＝θ_５ φ_７＝０ となり、座標系（t₃,r₃,z₃）における入射方位θ₁₃,φ
₁₃は、 θ₁₃＝θ_７＋Δξ＝θ_０＋３・Δξ φ₁₃＝０ となるから、回折角度の計算式を用いてM2から出射する
１次回折光（R1＋＋）の出射方位θ₁₄,φ₁₄を計算する
と、 θ₁₄＝θ_０＋Δξ φ₁₄＝０ となり、座標系（t,r,z）における出射方位θ₊₊,φ₊₊は θ₊₊＝θ_３＝θ_０ φ₊₊＝０ だから、光路L3と完全に一致する。−１次回折光（R2
−）が点M2に入射して点M2から出射する−１次回折光
（R2−−）の出射方位も同様の計算によって、 θ_--＝θ_０ φ_--＝０ となり、光路L4と完全に一致する。

このように、回転デイスク板５の取り付け位置のエラ
ーや光源１の発振波長の変化があって、回転デイスク板
５の第１の位置（M1から出射する回折光の進路がずれて
も、本発明の光学系（12,13,61,62）によって、回転デ
イスク板５に再入射する第２の位置（M2）が変動しない
ので、回折格子の読み取りの基準位置の変動に伴う測定
精度の劣化が原理的に発生せず、更に第２の位置（M2）
から出射する重ね合わせるべき各回折光の進行方位（射
出方向）を一定に保つように装置を構成することで２つ
の回折光同志が形成する干渉縞パターンが乱されない。
従って、回折格子の読み取りが安定して行える。

また、第１図の実施例では、偏光ビームスプリツター
面41,42の間の±１次回折光（R1＋,R2−）の光路が互い
にほぼ共通化されているので、光束R1及びR2を点M1から
点M2に至る長い光路に亘って引き回すような構成をとっ
ていても、周囲の温度変化等による光束間の光路長差の
変動が小さい。従って、精確に回転デイスク板５の回転
に応じた信号だけが受光素子S1,S2から出力されること
になる。又、本実施例においては、互いに干渉光を形成
する光束R1,R2の光路長が等しくなるように予め光学系
を設定している。

第７図は第１図の実施例の変形例（第２実施例）を示
している。本実施例では回転デイスク板５に入射する光
束R1,R2の入射角をθ_０から若干変更して、往路の光路
（L1,L2,L3,L4）と復路の光路（L5,L6,L7,L8）をわずか
にずらしたもので、基本構造は同じである。第１図にお
いて点M1から出射した光束R1の＋１次回折光（R1＋）と
光束R2の正反射光（零次回折光）は同一光路L1を進行
し、偏光ビームスプリツター面41で互いの偏光面の違い
によって、光束R1の１次回折光（R1＋）のみが反射され
るはずであるが、光学部品の不完全さによっては、光束
R2の正反射光の一部の偏光ビームスプリツター面で反射
され、伝送されてしまうのでゴースト光（ノイズ）が発
生する。点M1での光束R1の正反射光（零次回折光）、点
M2から射出する＋１次回折光（R1＋）の正反射光（零次
回折光）と−１次回折光（R2−）の正反射光（零次回折
光）も同様である。そこで第７図のように光路を設定し
ておけば、上記のゴースト光の光路が干渉光を形成する
ための回折光の光路からずれるので受光素子S1,S2への
ゴースト光の入射を免れることができる。

以上の各実施例で回折光の次数として＋１次や−１次
を用いているが、±符号は、第８図に示すように回転デ
イスク板５の回転方向（回折格子の移動方向）と光束の
進行方位のずらされる方向が一致するほうを＋、それと
逆を−とした。また干渉光を形成する回折光の次数は１
次だけでなく、２次でもそれ以上でも良いことは言うま
でもない。

第９図（ａ）は本発明の第３実施例の斜視図、第９図
（ｂ）は、第９図（ａ）の実施例の光路展開図である。
第９図において、１は半導体レーザー、20はコリメータ
ーレンズ、５は回転方向に沿って回折格子が形成された
回転スケール、41,42は偏光ビームスプリツター、S1,S2
は受光素子、81,82は反射鏡、７は1/4波長板、９はビー
ムスプリツター、10,11は偏光板で、偏光方位が互いに4
5゜ずれている。又、レーザー１の直線偏光の方位は偏
光ビームスプリツター41の偏光方位に対して45゜方向に
なっている。レーザー１を出射する光束は、コリメータ
ーレンズ20で平行光束に変換された後、偏光ビームスプ
リツター41で、等光量に、透過光束（ｐ偏光）と反射光
束（ｓ偏光）に分割される。分割された２光束は、回転
スケール５の放射状回折格子の位置M1に、下記（１）式
のθであらわされる角度（回折角）で入射する。

θ＝sin^-1λ/p …（１） ここで、λはレーザー１の発振波長、ｐは回転スケー
ル５の回折格子の位置M1における格子ピツチである。
尚、位置M1への入射する２光束の入射平面は、位置M1に
おける回折格子２の格子配列方向（接線方向）と平行な
面である。

位置M1で生じた上記２光束による±１次透過回折光
は、回転スケール５から回折格子の格子配列面に垂直な
方向に出射する。そして、この±１次回折光は反射鏡83
で直角（格子配列面に平行）に反射し、レンズ101及び1
02を介して回転スケール５の回転軸０に対してほぼ対称
な位置におかれた反射鏡84に向けられる。そして、この
反射鏡74は±１次回折光を再度回転スケール２の回折格
子の位置M2に、同じ方向から垂直に入射させる。位置M2
では、再び、±１次回折光が（１）式の角度θで出射さ
れる。これら±１次の再回折光は反射鏡85,86で反射さ
れた後、偏光ビームスプリツター42に入射して互いに重
なり合い、1/4波長板７を通った後ビームスプリツター
９で２光束に分割され、各光束は偏光板10,11を介して
受光素子、S1,S2に入射する。こうして受光素子S1,S2か
らは±１次再回折光の干渉の結果生ずる正弦波信号が得
られる。

次に第９図（ｂ）の光路展開図を用いて、±１次回折
光の光路を説明する。第９図（ｂ）において、偏光ビー
ムスプリツター41を透過する透過光束（実線の光束）が
回折格子の位置M1に入射して、回折格子の格子配列面か
ら垂直方向に出射する１次回折光を＋１次回折光とし、
偏光ビームスプリツター41で反射する反射光束（破線の
光束）がM1に入射して、回折格子の格子配列面から垂直
方向に出射する１次回折光を−１次回折光とする。位置
M1で発生する±１次回折光は重なり合い、位置M1から位
置M2までは、反射鏡83と84及びレンズ101と102から成る
光学系で共通の光路をたどる。位置M2では、これら±１
次回折光の各々に対し再度±１次回折光が発生するが、
偏光ビームスプリツター42の作用により、第９図（ｂ）
で実線及び破線で示された光束だけが受光素子S1,S2に
入射する。すなわち、位置M1からのｐ偏光の＋１次回折
光（実線の光束＋,p）が位置M2に入射すると再度±１次
回折光が発生するが、そのうち、±１次回折光（実線の
光束＋＋）は反射鏡85で反射され、偏光ビームスプリツ
ター42を透過し受光素子S1,S2に入射する。しかし、−
１次回折光（不図示）は反射鏡86で反射され、偏光ビー
ムスプリツター42を透過してしまうので受光素子S1,S2
には入射しない。一方、M1からのｓ偏光の−１次回折光
（破線の光束−,s）が位置M2に入射して発生する±１次
回折光のうち、−１次回折光（破線の光束−−）は、反
射鏡86で反射され偏光ビームスプリツター42で反射して
受光素子S1,S2に入る。しかし＋１次回折光（不図示）
は反射鏡85を反射した後、偏光ビームスプリツター42で
反射されるので、受光素子S1,S2には入射しない。こう
して、＋１次の回折を２回受けた光（実線の光束）と、
−１次の回折を２回受けた光（破線の光束）とが重なり
合って偏光ビームスプリツター42を出射して、1/4波長
板７、ビームスプリツター９、偏光板10,11を介して、
２つの干渉光となり、各干渉光が受光素子S1,S2に入射
する。受光素子S1,S2からは、第12図の従来例と同じ
く、回転スケール５の１回転あたり4N周期分の正弦波信
号が得られる。また偏光ビームスプリツター42を出射し
た光束は1/4波長板７と通って、前記実施例同様、回転
スケール５の回転に伴って偏光方位が回転する直線偏光
光となるが、偏光板10,11の偏光方位を互いに45゜ずら
しているので、受光素子S1,S2からは互いに90゜位相が
ずれた信号が得られる。

第９図では、回転スケール２の回折格子の位置M1から
M2まで到達する±１次回折光の光路は共通光路であり、
周囲の温度変化等の環境変化に対して測定誤差を生じに
くい。また、第12図の従来例の如き、回折光を交差させ
るといった複雑な光路でないので組立・調整が容易であ
る。また共通光路に配したレンズ101,102はM1とM2を互
いに共役関係にするよう設定してあり、前記実施例同様
の効果を得ることができる。

第10図は本実施例の第４実施例の概略図である。

図中、１は半導体レーザー、20はコリメーターレンズ
で、レーザー１からの光束を平行光束となるようにして
いる。30a（30b）は偏光ビームスプリツターで入射光束
のうち、Ｓ偏光を反射させ、Ｐ偏光を透過させている。
40a（40b）,50a（50b）は各々ミラー、５は反射状回折
格子が形成された回転スケールである。

ここでミラー40a（40b）,50a（50b）は各々偏光ビー
ムスプリツター30a（30b）からの２つの光束が回折格子
に互いに異なる符号の回折次数、例えば１次と−１次の
回折次数の回折角に相当する角度で入射するようにして
いる。70a（70b）は偏光変換手段で、λ/4板より成って
いる。80a（80b）は反射手段で、例えばミラー又は端面
結像タイプの屈折率分布レンズの端面に反射膜を施した
光学部材より成っている。

本実施例では、符番30a（30b）,40a（40b）,50a（50
b）,70a（70b）そして80a（80b）に相当する各要素を有
する検出ユニット100a（100b）を２つ設けている。

次に本実施例におけるロータリーエンコーダーの検出
動作について説明する。

レーザー１からのレーザー光をコリメーターレンズ２
で平行光束とし、偏光ビームスプリツター30aでＰ偏光
光とＳ偏光光の２つの光束に分割している。このうち偏
光ビームスプリツター30aで反射したＳ偏光光はミラー4
0aで反射し、回転スケール５上の回折格子面上の位置M1
に１次の回折角に相当する角度で入射する。

一方、偏光ビームスプリツター30aを透過したＰ偏光
光はミラー50aで反射し、回転スケール５上の回折格子
面上の位置M1に−１次の回折角に相当する角度で入射さ
せている。

回折格子で１次回折されたＳ偏光光は格子配列面より
略垂直に透過射出し、偏光変換手段としての1/4波長板7
0aを通過し、円偏光となり、反射手段80aで反射し偏光
方向が逆転した円偏光となり元の光路に戻る。そして再
び1/4波長板70aを通過し、回折格子上の位置M1にＰ偏光
光として再入射する。そして回折格子で再回折した１次
のＰ偏光光はミラー40aで反射し、偏光ビームスプリツ
ター30aを通過する。

一方、回折格子で−１次回折されたＰ偏光光は格子配
列面より略垂直に透過射出し、1/4波長板70aを通過し
て、円偏光となり、反射手段80aで反射し、偏光方向が
逆転した円偏光となり元の光路に戻る。

そして再び1/4波長板70aを通過し、回折格子の位置M1
にＳ偏光光束として再入射する。そして回折格子で再回
折した−１次のＳ偏光光はミラー50aで反射し、偏光ビ
ームスプリツター30aで反射する。

これより、偏光ビームスプリツター30aでｐ偏光光束
とＳ偏光光束の２光束を重ね合わせて取り出し、これら
２つの光束をミラー109に導光している。ミラー109に導
光された２光束は互いに偏光面が直交して重なり合って
おり、ミラー109で反射した該２光束をレンズ101と102
を介してミラー110で反射させた後、前述と同様の構成
の検出ユニツト100bに導光している。そして検出ユニツ
ト100aと同様に該２光束を回折格子上の位置M2で１次の
回折を２回行った後、取り出し1/4波長板７に導光して
いる。

このときの２光束は互いに偏光面が直交して重なり合
っている。そして互いの位相差δは＋１次の回折を４回
行った光束と、−１次の回折を４回行った光束との間の
位相差であるから となる。即ち、ｘ＝1P（Ｐは格子ピツチ）のとき２光束
間の位相ずれは16πとなる。

1/4波長板７を通過した２光束の合成波は直線偏光光
束となり、その偏光方位は前記２光束間の位相が２πず
れる間に半回転するから、ビームスプリツター９を通過
し偏光板10を介した光束は、その間に１周期の明暗の変
化を生じ、受光素子S1にて電気的な１周期の信号として
出力される。

一方、ビームスプリツター９で反射した光束は、偏光
板11を偏光板10に対して偏光面の方位を45゜ずらして配
置している為、偏光板11を介した光束の周期的な明暗の
変化の位相が90゜ずれる。この為、受光素子S2から出力
される周期信号の位相は、受光素子S1から出力される周
期信号の位相に比べて常に90゜ずれている。

回転スケール上の回折格子の格子総本数がＮ本とすれ
ば、スケール５が１回転する間の２光束の位相差δの変
化は よりｘ＝NPを代入して δ＝16πＮ となる。これより２つの受光素子15,16からは16πN/2π
＝8N周期の周期信号（正弦波信号）が得られる。

本実施例において、レンズ101,102は回転スケール５
上の回折格子の位置M1とM2を互いに共役関係にするよう
に、±１次回折光の共通光路（偏光ビームスプリツター
30aから30bに至る光路）中に設けられている。従って、
前述の第１〜第３実施例のエンコーダー同様に、周囲の
温度変化や回転スケール５の傾きなどにより測定精度が
劣化しにくい系を構成している。また、本実施例では＋
１次の回折を４回受けた光と−１次の回折を４回受けた
光とで干渉光を形成しているので、前述の各実施例の４
倍の分解能が得られる。

本発明のエンコーダーに使用する回折格子は、周知の
振幅型回折格子のみならず、レリーフ型回折格子やホロ
グラムなどの位相型回折格子を用いることができる。ま
た、光源としては、上述のレーザーダイオードなどの半
導体レーザーの使用が装置の小型化に適している。半導
体レーザーとしては、シングルモードタイプのもの、マ
ルチモードタイプのものなど様々なタイプを選択し得
る。

第11図は、第１図に示したロータリーエンコーダーを
ハード磁気デイスク113のトラツク信号の書き込み装置
に利用した例で、書込みヘツド112を揺動させるタイプ
の揺動型書込み装置のモータ114回転軸（不図示）にエ
ンコーダーの回転デイスク板５を載せ、そのうえからエ
ンコーダー読み取りユニツト111をかぶせた構成にして
いる。尚、符番115はエアベアリングを示している。

〔発明の効果〕

以上、回転格子の第１の点から出射する各回折光の進
行方位がスケール板の取り付け位置のずれや傾きによっ
て多少変動しても、各回折光が再入射する回折格子の第
２の位置が変動しないので、格子の読み取りの基準位置
の変動に伴う測定精度の劣化が原理的に発生しない。
又、各回折光が互いにほぼ共通の光路を有しているの
で、周囲の温度変動などにより測定精度が劣化しない。
更に、第２の位置から出射する互いに重ね合せるべき各
回折光の進行方位（射出方向）を一定に保つように装置
を構成することで２つの回折光が形成する干渉縞パター
ンが乱されない。従って、干渉信号の読み取りが安定し
て行え、高分解能、高精度なロータリーエンコーダーを
提供できる。また、回転デイスク板の取り付けエラーに
たいして比較的影響を受けないこと、および回転デイス
ク板と投光、受光光学系（読み取り光学ユニツト）が分
離できることから『組み込みタイプの』ロータリーエン
コーダーが容易に実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示す斜視図。 第２図〜第６図は第１実施例のロータリーエンコーダー
の回転デイスク板の取り付けエラーがある場合の光路補
正の様子を示す説明図。 第７図は本発明の第２実施例を示す斜視図。 第８図は回折光の次数の±符号の付け方を示す説明図。 第９図（ａ），（ｂ）及び第10図は各々本発明の第３及
び第４実施例を示す図。 第11図は第１図のエンコーダーをハード磁気デイスクの
トラツク信号書き込み装置に利用した例を示す図。 第12図（ａ），（ｂ）は従来のエンコーダーの一例を示
す説明図。 １……光源（レーザーダイオード） 20……コリメーターレンズ 31,32,33……プリズム 41,42……偏光ビームスプリツター面 ５……回転デイスク板 60,61,62,63……ミラー 71,72,73……1/4波長板 ８……1/2波長板 ９……非偏光ビームスプリツター 10,11……偏光素子 S1,S2……受光素子 12,13……レンズ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01D 5/38 G01B 11/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回転方向に沿って回折格子を形成した回転
   スケールを用いたロータリーエンコーダにおいて、 光源からの光束を２つの光束に分割し、分割された光束
   の一方の光束を回転スケールの第１の位置に入射せしめ
   該第１の位置に入射する時の光路とほぼ同じ光路へ向か
   って反回折する第１の回折光と、分割された光束の他方
   の光束を該第１の位置に入射せしめ該第１の位置に入射
   する時の光路とほぼ同じ光路へ向かって回折する第２の
   回折光とを共通の光路に進ませる第１のビームスプリッ
   タと、 共通の光路を進む前記第１、第２の回折光を分離し、分
   離された前記第１の回折光を前記回転スケールの回転中
   心に関して前記第１の位置とほぼ点対称な第２の位置に
   入射せしめ該第２の位置に入射する時の光路とほぼ同じ
   光路へ向かって回折する第１の再回折光と、分離された
   前記第２の回折光を該第２の位置に入射せしめ該第２の
   位置に入射する時の光路とほぼ同じ光路へ向かって回折
   する第２の再回折光とを合成する第２のビームスプリッ
   タと、 前記第１、第２の再回折光が合成された光束を検出する
   光検出器と、 該共通の光路中に該第１の位置と該第２の位置を共役関
   係にする光学系と を有することを特徴とするロータリーエンコーダ。
2. 【請求項２】回転方向に沿って回折格子を形成した回転
   スケールを用いたコータリーエンコーダにおいて、 光源からの光束を２つの光束に分割し、分割された光束
   の一方の光束を回転スケールの第１の位置に入射せしめ
   該第１の位置で回折する第１の回折光と、分割された光
   束の他方の光束を該第１の位置に入射せしめ該第１の位
   置で回折する第２の回折光とを共通の光路に進ませる第
   １のビームスプリッタと、 共通の光路を進む前記第１、第２の回折光を前記回転ス
   ケールの回転中心に関して前記第１の位置とほぼ点対称
   な第２の位置に入射せしめ、該第２の位置で回折する前
   記第１の回折光の第１の再回折光と前記第２の回折光の
   第２の再回折光とを合成する第２のビームスプリッタ
   と、 前記第１、第２の再回折光が合成された光束を検出する
   光検出器と、 該共通の光路中に該第１の位置と該第２の位置を共役関
   係にする光学系と を有することを特徴とするロータリーエンコーダ。