JP3937593B2 - 変位情報検出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、変位情報検出装置に関し、特に変位物体の位置情報、変位量情報、変位方向等の変位情報を該変位物体によって位相の変動を加えられた可干渉性光束の重ね合せによって直線偏光方位の回転に変換し、該直線偏光方位の回転量及び方向を検出することにより該変位物体の変位情報を検出するようにした変位情報検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より変位物体の変位情報を検出する装置としてロータリーエンコーダやリニアエンコーダ等の変位情報検出装置が使用されている。
【０００３】
図１４（Ａ）は従来のロータリーエンコーダなる変位情報検出装置の全体の構成を示す平面図であり、図１４（Ｂ）は側面図、図１５は図１４（Ａ）の一部の光路を展開したときの要部概略図である。
【０００４】
図中、１３１はディスクであり、透明の円板状の部材より成り変位物体に固定して変位物体とともに回転する。ディスク１３１の表面には１つの輪帯上に放射状の回折格子１２８を備えており、該回折格子１２８を介した光を検出することによって変位物体の変位情報を検出することができる。
【０００５】
１２１は光源であり、半導体レーザで構成している。１２２はコリメータレンズであり、光源１２１からの放射光を平行光に変換する。１２３は偏光ビームスプリッタであり、プリズム１２３Ａとプリズム１２３Ｂとを接合面１２４で接合して構成している。
【０００６】
接合面１２４は偏光分割面であり、入射光の直線偏光の方向によって光を遮光若しくは反射する。１２７Ａ、１２７Ｂはプリズムである。１２９Ａ、１２９Ｂは１／４波長板、１３０Ａ、１３０Ｂは反射手段である。１０２は１／４波長板、１０３は光分割手段であり、格子方向が２次元の位相型回折格子である。１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄは偏光素子、１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄ（１１１）は受光素子（光検出手段）である。
【０００７】
図１５は図１４の１／４波長板１０２から受光素子１１１までの光学系の各要素の配置を示す斜視図である。
【０００８】
この従来例の光学的作用を説明する。光源１２１より射出された光束はコリメータレンズ１２２によって略平行光となり、偏光ビームスプリッタ（偏光分割手段）１２３に入射後、偏光分割面１２４に導光し、等光量の反射光束１２５と透過光束１２６に分割する。
【０００９】
このうち、例えば偏光分割面１２４に対して垂直方向の直線偏光の反射光束１２５はプリズム１２３Ａとプリズム１２７Ａを介してディスク１３１上の回折格子１２８の位置Ｍ１０１に入射・回折し、特定次数の回折光光束が１／４波長板１２９Ａを経て円偏光となり、反射手段１３０Ａで反射後、逆回りの円偏光として同一光路を逆進し、再度１／４波長板１２９Ａを通過後、入射時とは偏光方位が９０°異なる直線偏光の光束となって回折格子１２８の位置Ｍ１０１に再入射・回折し、プリズム１２７Ａを介して偏光ビームスプリッタ１２３に再入射し、今度は偏光分割面１２４を透過後、該ビームスプリッタ１２３から光束１０１ａとして射出する。
【００１０】
また、偏光分割面１２４に対して平行方向の直線偏光の透過光束１２６はプリズム１２３Ｂとプリズム１２７Ｂを介してディスク１３１の回折格子１２８の位置Ｍ１０２（回転軸に対して位置Ｍ１０１の対称位置）に入射・回折し、特定次数の回折光光束が１／４波長板１２９Ｂを経て円偏光となり、反射手段１３０Ｂで反射後、逆回りの円偏光として同一光路を逆進し、再度１／４波長板１２９Ｂを通過後、入射時とは偏光方位が９０°異なる直線偏光の光束となって回折格子１２８の位置Ｍ１０２に再入射・回折し、プリズム１２７Ｂを介して偏光ビームスプリッタ１２３に再入射し、今度は偏光分割面１２４を反射後、該ビームスプリッタ１２３から光束１０１ｂとして射出する。
【００１１】
これら２つの光束１０１ａ、１０１ｂは重ね合わされて光束１０１となり、１／４波長板１０２を透過し、直線偏光に変換される。この直線偏光の方位は、ディスク１３１の回折格子１２８の変位に伴って回転し、回折格子１２８の１ピッチ分の変位当たり２回転する。
【００１２】
この直線偏光の光束を光分割手段１０３と偏光ビームスプリッタ１０７により、反射光と透過光の全体として４つの光束１０９ａ、１０９ｂ、１０９ｃ、１０９ｄに分割する。分割された光束１０９ａ、１０９ｂ、１０９ｃ、１０９ｄは偏光方位が互いに４５°異なるように設定した偏光素子１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄに入射する。そして光束１０９ａ、１０９ｂ、１０９ｃ、１０９ｄの直線偏光の偏光方位は変位物体の変位に伴って回転するので、受光素子（光検出手段）１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄが受光する偏光素子１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄを透過した光束の光量は変位物体の変位に伴って正弦波上に変化し、受光素子１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄからは位相差が９０°の４つの正弦波信号（プッシュプル信号）が出力される。この４つの正弦波信号を利用してディスク１３１を固定している変位物体の回転角や変位方向等の変位情報を検出している。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
図１４，図１５に示すような変位物体（ディスク）の変位量を直線偏光方位の回転に変換する装置において、位相差が９０°の４つの正弦波信号（プッシュプル信号）を検出する手段として、４分割された光束を互いに偏光方向が４５°異なる偏光素子を介して受光素子で受光する方法がある。この方法は、１つの受光素子から得られる最大振幅は４分割する前の光束の振幅を１とすると１／４であり、さらなる光の利用効率の向上を求められていた。
【００１４】
本発明は、変位物体の変位情報を位相差が９０°の４つの正弦波信号（プッシュプル信号）に変換して検出することにより光の利用効率を高め、高精度の変位情報を得ることができる変位情報検出装置の提供を目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の変位情報検出装置は、
（１−１） 変位物体の変位量を該変位物体を介した直線偏光の直線偏光方位の回転情報を検出して求める変位情報検出装置において、該変位物体を介したＰ偏光成分およびＳ偏光成分に対して４５°の角度をなす方向に進相軸方向を配置し、該Ｐ偏光成分およびＳ偏光成分をそれぞれ互いに逆回りの円偏光に変換する１／４波長板と、入射光束を２分割する光分割手段と、Ｐ偏光またはＳ偏光の振動方向に対して２２．５°の角度をなす方向に進相軸方向を配置し、２分割した入射光束のうちの一方の直線偏光方位を変化させる１／２波長板と、２分割した光束のＰ偏光成分を透過しＳ偏光成分を反射する偏光ビームスプリッタと、２分割した光束のそれぞれのＰ偏光成分とＳ偏光成分を受光する４つの受光素子によって、位相差が９０°の４つの正弦波信号を検出し、該正弦波信号を利用して変位物体の変位情報を検出することを特徴としている。
【００１６】
特に、
（１−１−１） 前記偏光ビームスプリッタの２つの光出射面の一方に直角プリズムを接着し、前記偏光ビームスプリッタから出射される４つの光束の出射方向を同じにすることにより、４つの光束を受光する受光素子を同一平面上に配置したこと。
【００１７】
（１−１−２） 前記偏光ビームスプリッタから出射される４つの光束を受光する受光素子は４分割センサであること。
等を特徴としている。
【００１８】
（１−２） 変位物体の変位量を該変位物体を介した直線偏光の直線偏光方位の回転情報を検出して求める変位情報検出装置において、該変位物体を介したＰ偏光成分とＳ偏光成分を２分割する光分割手段と、Ｐ偏光成分またはＳ偏光成分と一致した方向に進相軸を配置した１／４波長板とＰ偏光成分およびＳ偏光成分に対して４５°の角度をなす方向に進相軸方向を配置し、入射するＰ偏光成分およびＳ偏光成分をそれぞれ互いに逆回りの円偏光に変換する１／４波長板と、２分割した光束のＰ偏光成分を透過しＳ偏光成分を反射する偏光ビームスプリッタと、２分割した光束のそれぞれのＰ偏光成分とＳ偏光成分を受光する４つの受光素子によって、位相差が９０°の４つの正弦波信号を検出し、該正弦波信号を利用して変位物体の変位情報を検出することを特徴としている。
【００１９】
特に、
（１−２−１） 前記偏光ビームスプリッタの２つの光出射面の一方に直角プリズムを接着し、前記偏光ビームスプリッタから出射される４つの光束の出射方向を同じにすることにより、４つの光束を受光する受光素子を同一平面上に配置したこと。
【００２０】
（１−２−２） 前記偏光ビームスプリッタから出射される４つの光束を受光する受光素子は４分割センサであること。
等を特徴としている。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明のロータリーエンコーダなる光学式の変位情報検出装置の実施形態１の要部概略図である。図２は図１の一部分の光路を展開した斜視図である。図１（Ａ）は全体の構成を示す平面図、図１（Ｂ）は側面図である。図中、３１はディスクであり、透明の円板状の部材より成り変位物体に固定して変位物体とともに回転する。ディスク３１の表面には１つの輪帯上に放射状の回折格子２８を備えており、回折格子２８を介した光束を検出することによって変位物体の変位情報を検出する。
【００２７】
２１は光源であり、半導体レーザやレーザダイオード等で構成している。２２はコリメータレンズであり、光源２１からの放射光を平行光に変換する。２３は偏光ビームスプリッタであり、プリズム２３Ａとプリズム２３Ｂとを接合面２４で接合して構成している。接合面２４は偏光分割面より成り、入射光の直線偏光の方向によって光を透過若しくは反射する。２７Ａ、２７Ｂは３角形状のプリズムであり、図１（Ｂ）に示すようにプリズム２３Ａ，２３Ｂに接合している。２９Ａ、２９Ｂは１／４波長板、３０Ａ、３０Ｂは反射手段である。２は１／４波長板、３は光分割手段であり、例えば格子を一次元方向に配列した位相型の回折格子である。５は１／２波長板（図１では不図示）、７は偏光ビームスプリッタ、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄは受光素子（光検出手段）である。図２は図１の１／４波長板２から受光素子１１までの光路を展開した斜視図である。
【００２８】
本実施形態の光学作用を説明する。光源２１より射出された光束はコリメータレンズ２２によって略平行光となり、偏光ビームスプリッタ（偏光分割手段）２３に入射後、偏光分割面２４に入射し、等光量の反射光束２５と透過光束２６に分割される。
【００２９】
このうち、例えば偏光分割面２４に対して垂直方向の直線偏光の反射光束２５はプリズム２３Ａとプリズム２７Ａを介してディスク３１上の回折格子２８の位置Ｍ１に入射・回折し、特定次数の回折光光束が１／４波長板２９Ａを経て円偏光となり、反射手段３０Ａで反射後、逆回りの円偏光として同一光路を逆進し、再度１／４波長板２９Ａを通過後、入射時とは偏光方位が９０°異なる直線偏光の光束となって回折格子２８の位置Ｍ１に再入射・回折し、プリズム２７Ａを介してプリズム２３Ａに再入射し、今度は偏光方向が９０°回転しているので偏光分割面２４を透過後、該プリズム２３Ｂから光束１ａとして射出する。
【００３０】
また、偏光分割面２４に対して平行方向の直線偏光の透過光束２６はプリズム２３Ｂとプリズム２７Ｂを介してディスク３１の回折格子２８の位置Ｍ２（回折格子２８（変位物体）の回転軸に対して位置Ｍ１の対称位置）に入射・回折し、特定次数の回折光光束が１／４波長板２９Ｂを経て円偏光となり、反射手段３０Ｂで反射後、逆回りの円偏光として同一光路を逆進し、再度１／４波長板２９Ｂを通過後、入射時とは偏光方位が９０°異なる直線偏光の光束となって回折格子２８の位置Ｍ２に再入射・回折し、プリズム２７Ｂを介してプリズム２３Ｂに再入射し、今度は偏光方向が９０°回転しているので偏光分割面２４を反射後、該プリズム２３Ｂから光束１ｂとして光束１ａと重なって射出する。
【００３１】
図２に示すようにこれら２つの光束（直線偏光）１ａ、１ｂは重ね合わされて光束１となり、進相軸（Ｆ軸）方向をＰ偏光成分およびＳ偏光成分に対して４５°の角度をなす方向に配置されている１／４波長板２を透過し、右回りと左回りの円偏光に変換している。この右回りと左回りの円偏光の合成により、所定方向に偏光軸を有する直線偏光に変換される。この直線偏光の方位は、ディスク３１の回折格子２８の変位に伴って回転し、回折格子２８の１ピッチ分の変位当たり２回転する。
【００３２】
この直線偏光の光束を光分割手段３により２つの光束４ａ、４ｂに分割する。光分割手段３は例えば位相型回折格子である。分割された光束４ａ、４ｂの一方（例えば光束４ａ）を進相軸（Ｆ軸）方向がＰ偏光またはＳ偏光の振動方向に対して２２．５°の角度をなす方向に配置されている１／２波長板５を透過させる。すると光束４ａは光束４ｂに対して直線の偏光方位が４５°ずれる。
【００３３】
この直線偏光方位のずれた、偏光方位が回転する２光束４ａ，４ｂを偏光ビームスプリッタ７に入射させると、反射するＳ偏光成分９ａ、９ｃと透過するＰ偏光成分９ｂ、９ｄに分離され、受光素子１１ａ、１１ｃ、１１ｂ、１１ｄによって各成分が受光される。尚、偏光ビームスプリッタ７でＳ偏光成分を透過させ、Ｐ偏光成分を反射するようにしても良い。以下の各実施形態で全て同じである。
【００３４】
この回転する直線偏光方位のずれと受光素子によって受光される出力変化の様子を図３，図４に示す。ただし、図３においては、変化する様子を離散的に４つの状態で示しているが、実際は連続的に変化するものである。図４より、変位物体（ディスク）の変位に伴って、位相が９０°ずれた４つの正弦波信号（プッシュプル信号）１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄが得られることがわかる。この４つの正弦波信号を利用してディスク３１を固定している変位物体の回転角及び変位方向を検出することができる。この場合、各受光素子１１ａ〜１１ｄにて受光する最大振幅は、光分割手段３に入射する光束の振幅を１とすると、１／２であり、従来例に比べて光の利用効率を高くすることができ、検出精度を向上させることができる。
【００３５】
このように直線偏光方位の回転量と回転方向を求めて変位物体の変位情報を検出している。
【００３６】
図５は本発明の実施形態２の光学系の一部を展開したときの説明図である。実施形態２の光学式の変位情報検出装置は、実施形態１において、偏光ビームスプリッタ７を透過した成分を折り返す為の直角プリズム８を偏光ビームスプリッタ７に接着し、受光素子１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄが同一平面上に構成されている他は、実施形態１の光学式の変位検出装置と同様に構成したものである。実施形態１と共通する部材には同一符号を付して重複説明を省略する。
【００３７】
実施形態２の光学式の変位情報検出装置は、直線偏光方位のずれた、偏光方位が回転する２光束４ａ、４ｂを偏光ビームスプリッタ７に入射させ、反射するＳ偏光成分９ａ、９ｃと透過するＰ偏光成分９ｂ、９ｄに分離する。その内、透過したＰ偏光成分９ｂ、９ｄは、偏光ビームスプリッタ７に接着された直角プリズム８によって、Ｓ偏光成分の出射方向と同じ方向に折り返される。こうすることにより、各成分９ａ〜９ｄを受光する受光素子１１ａ、１１ｃ、１１ｂ、１１ｄを同一平面上に構成することができ、装置全体を小型化することができる。
【００３８】
図６は本発明の実施形態３の光学系の一部を展開したときの説明図である。実施形態３の光学式の変位情報検出装置は、実施形態１に対して、偏光ビームスプリッタ７の偏光面７ａの向きが異なり、偏光ビームスプリッタ７を透過した成分を折り返す直角プリズム８が偏光ビームスプリッタ７に接着され、受光素子１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄが同一平面上に構成されていて、受光素子１１ａ〜１１ｄが所謂４分割センサにて構成されている他は、実施形態１の光学式の変位情報検出装置と同様である。図６において実施形態１と共通する部材には同一符号を付して重複説明を省略する。
【００３９】
実施形態３の光学式の変位情報検出装置は、直線偏光方位のずれた、偏光方位が回転する２光束４ａ、４ｂを偏光ビームスプリッタ７に入射させ、反射するＳ偏光成分９ａ、９ｃと透過するＰ偏光成分９ｂ、９ｄに分離する。その内、透過したＰ偏光成分９ｂ、９ｄは、偏光ビームスプリッタ７に接着された直角プリズム８によって、Ｓ偏光成分の出射方向と同じ方向に折り返される。こうすることにより、各成分を受光する受光素子１１ａ、１１ｃ、１１ｂ、１１ｄを同一平面上に構成することができ、装置全体を小型化することが出来る。この時、偏光ビームスプリッタ７の偏光面７ａを、光束分割方向がＸ軸方向に対して、ＹＺ平面に配置することにより、受光素子１１ａ、１１ｃ、１１ｂ、１１ｄを所謂４分割センサにて構成することができ、汎用品の流用が可能になり、装置のコストダウンが図れる。
【００４０】
図７は本発明の実施形態４の光学系の一部を展開したときの説明図である。実施形態４の光学式の変位情報検出装置は、実施形態１に対して、ディスク３１の回折格子２８の変位に伴って偏光方位が回転する２光束の、直線偏光方位をずらす方法の他は、実施形態１の光学式の変位情報検出装置と同様に構成したものであるので、実施形態１と共通する部材には同一符号を付して重複説明を省略する。
【００４１】
図７において偏光ビームスプリッタ２３から射出した光束１を光分割手段３により２つの光束４ａ、４ｂに分割する。光束分割手段３は例えば位相型回折格子である。分割された光束４ａ、４ｂの一方（例えば光束４ａ）を進相軸（Ｆ軸）方向がＰ偏光またはＳ偏光の振動方向と一致した方向に配置されている１／４波長板６を透過させる。この２光束４ａと４ｂを進相軸方向がＰ偏光成分およびＳ偏光成分に対して４５°の角度をなす方向に配置されている１／４波長板２を通過させ、直線偏光に変換する。１／４波長板２を透過した２光束の直線偏光の方位は、光束４ａのみ１／４波長板６を透過していることから、互いに４５°ずれている。
【００４２】
以下、実施形態１と同様の受光手段により、従来例に比べて光の利用効率を高めた光学式の変位情報検出装置を達成している。
【００４３】
図８は本発明の実施形態５の光学系の一部を展開したときの説明図である。実施形態５の光学式の変位情報検出装置は、図７の実施形態４において、偏光ビームスプリッタ７を透過した成分を折り返す直角プリズム８を偏光ビームスプリッタ７に接着し、受光素子１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄが同一平面上に構成されている他は、実施形態４の光学式の変位情報検出装置と同様に構成したものであるので、実施形態４と共通する部材には同一符号を付して重複説明を省略する。
【００４４】
実施形態５の光学式の変位情報検出装置は、直線偏光方位のずれた、偏光方位が回転する２光束４ａ、４ｂを偏光ビームスプリッタ７に入射させ、反射するＳ偏光成分９ａ、９ｃと透過するＰ偏光成分９ｂ、９ｄに分離している。その内、透過したＰ偏光成分９ｂ、９ｄは、偏光ビームスプリッタ７に接着された直角プリズム８によって、Ｓ偏光成分の出射方向と同じ方向に折り返される。こうすることにより、各成分を受光する受光素子１１ａ、１１ｃ、１１ｂ、１１ｄを同一平面上に構成することができ、装置全体を小型化することができる。
【００４５】
図９は本発明の実施形態６の光学系の一部を展開したときの説明図である。実施形態６の光学式の変位情報検出装置は、図８の実施形態５に対して、偏光ビームスプリッタ７の偏光面７ａの向きが異なり、偏光ビームスプリッタ７を透過した成分を折り返す直角プリズム８が偏光ビームスプリッタ７に接着され、受光素子１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄが同一平面上に構成されていて、所謂４分割センサにて構成されている他は、実施形態５の光学式の変位情報検出装置と同様に構成したものであるので、実施形態５と共通する部材には同一符号を付して重複説明を省略する。
【００４６】
実施形態６の光学式の変位情報検出装置は、直線偏光方位のずれた、偏光方位が回転する２光束４ａ、４ｂを偏光ビームスプリッタ７に入射させ、反射するＳ偏光成分９ａ、９ｃと透過するＰ偏光成分９ｂ、９ｄに分離する。その内、透過したＰ偏光成分９ｂ、９ｄは、偏光ビームスプリッタ７に接着された直角プリズム８によって、Ｓ偏光成分の出射方向と同じ方向に折り返される。こうすることにより、各成分を受光する受光素子１１ａ、１１ｃ、１１ｂ、１１ｄを同一平面上に構成することができ、装置全体を小型化することが出来る。この時、偏光ビームスプリッタ７の偏光面７ａを、光束分割方向がＸ軸方向に対して、ＹＺ平面と配置することにより、受光素子１１ａ、１１ｃ、１１ｂ、１１ｄを所謂４分割センサにて構成することができ、汎用品の流用が可能になり、装置のコストダウンが図れる。
【００４７】
図１０は本発明の実施形態７の光学系の一部を展開したときの説明図である。実施形態７の光学式の変位情報検出装置は、偏光ビームスプリッタ２３から光束１が射出するまでは実施形態１と同様であるので重複説明を省略する。
【００４８】
偏光ビームスプリッタ２３から射出した光束１を、進相軸（Ｆ軸）方向がＰ偏光またはＳ偏光の振動方向に対して２２．５°の角度をなす方向に配置されている１／２波長板１４を透過させて、光束１のＳ偏光成分とＰ偏光成分の振動方向を４５°回転させる。回転後の成分をそれぞれＳ’偏光成分、Ｐ’偏光成分とする。
【００４９】
光束１を光分割手段３により、２つの光束４ａ、４ｂに分割する。分割した光束４ａ、４ｂの一方（例えば光束４ａ）を進相軸方向がＳ’偏光成分またはＰ’偏光成分と一致した方向に配置された１／４波長板１３を透過させる。
【００５０】
この２光束の振動方向の変化の様子を図１１に示す。ただし、ここでは離散的に状態（１）→（２）→（３）→（４）と変化する様に示しているが、実際は連続的に変化するものである。
【００５１】
また、光束４ａと４ｂの関係は、光束４ａが状態（１）の時、光束４ｂは状態（２）、光束４ａが状態（２）の時、光束４ｂは状態（３）、光束４ａが状態（３）の時、光束４ｂは状態（４）、光束４ａが状態（４）の時、光束４ｂは状態（１）、または光束４ａが状態（１）の時、光束４ｂは状態（４）、光束４ａが状態（２）の時、光束４ｂは状態（１）、光束４ａが３の時、光束４ｂは状態（２）、光束４ａが状態（４）の時、光束４ｂは状態（３）となるように１／４周期（位相差９０°）ずれていて、１／４波長板１３をＳ’成分かＰ’成分のどちらに一致させるかによってずれ方が変わってくる。
【００５２】
状態（１）においては、Ｘ軸方向に振動する成分が相殺されて、Ｘ軸方向に振動する直線偏光になり、状態（２）においては、進行方向のＺ軸を中心に右’回りに回転する円偏光になり、状態（３）においては、Ｙ軸方向に振動する成分が相殺されて、Ｚ軸方向に振動する直線偏光になり、状態（４）においては、進行方向のＺ軸を中心に左回りに回転する円偏光になる。
【００５３】
この２光束４ａ、４ｂをＸ軸方向に振動する成分を透過し、Ｙ軸方向に振動する成分を反射する偏光面７ａをもつ偏光ビームスプリッタ７に入射させる。光束４ａ、４ｂの反射成分を９ａ、９ｃ、透過成分を９ｂ、９ｄとし、それぞれ受光素子１１ａ、１１ｃ、１１ｂ、１１ｄに入射する。すると、ディスク３１の変位に伴って、光束の状態が（１）→（２）→（３）→（４）と変化し、各受光素子で受光する強度が変化する。光束４ａと４ｂの変化の周期が１／４周期（位相差９０°）ずれていることと、各光束の透過する成分と反射成分は逆相（位相差１８０°）になるので、受光素子１１ａ、１１ｃ、１１ｂ、１１ｄからは位相が９０°ずれた４つの正弦波信号（プッシュプル信号）が得られる。
【００５４】
また、この場合、各受光素子にて受光する最大振幅は、光分割手段３に入射する光束の振幅を１とすると、１／２であり、従来例に比べて光の利用効率を高くすることができる。
【００５５】
また、本実施形態においては、光束１を１／２波長板１４を透過させる代わりに、光束分割手段３と１／４波長板１３と偏光ビームスプリッタ７をＺ軸を回転軸にして４５°回転させても同様の効果が得られる。
【００５６】
図１２は本発明の実施形態８の光学系の一部を展開したときの説明図である。実施形態８の光学式の変位情報検出装置は、図１０の実施形態７において、偏光ビームスプリッタ７を透過した成分を折り返す直角プリズム８を偏光ビームスプリッタ７に接着し、受光素子１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄが同一平面上に構成されている他は、実施形態７の光学式の変位情報検出装置と同様に構成したものであるので、実施形態７と共通する部材には同一符号を付して重複説明を省略する。
【００５７】
実施形態８の光学式の変位情報検出装置は、偏光ビームスプリッタ７を透過（または反射）する振動方向に対して、光束の振動方向が４５°ずれていて、その２光束４ａ、４ｂを偏光ビームスプリッタ７に入射させ、反射する成分９ａ、９ｃと透過する成分９ｂ、９ｄに分離する。その内、透過した成分９ｂ、９ｄは、偏光ビームスプリッタ７に接着された直角プリズム８によって、偏光ビームスプリッタ７によって反射される成分の出射方向と同じ方向に折り返される。こうすることにより、各成分を受光する受光素子１１ａ、１１ｃ、１１ｂ、１１ｄを同一平面上に構成することができ、装置全体を小型化することができる。
【００５８】
図１３は本発明の実施形態９の光学系の一部を展開したときの説明図である。
実施形態９の光学式の変位情報検出装置は、図１２の実施形態８に対して、偏光ビームスプリッタ７の偏光面７ａの向きが異なり、偏光ビームスプリッタ７を透過した成分を折り返す直角プリズム８が偏光ビームスプリッタ７に接着され、受光素子１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄが同一平面上に構成されていて、所謂４分割センサにて構成されている他は、実施形態８の光学式の変位情報検出装置と同様に構成したものであるので、実施形態８と共通する部材には同一符号を付して重複説明を省略する。
【００５９】
実施形態９の光学式の変位情報検出装置は、偏光ビームスプリッタ７を透過（または反射）する振動方向に対して、光束の振動方向が４５°ずれていて、その２光束４ａ、４ｂを偏光ビームスプリッタ７に入射させ、反射する成分９ａ、９ｃと透過する成分９ｂ、９ｄに分離する。その内、透過した９ｂ、９ｄは、偏光ビームスプリッタ７に接着された直角プリズム８によって、偏光ビームスプリッタ７によって反射される成分の出射方向と同じ方向に折り返される。こうすることにより、各成分を受光する受光素子１１ａ、１１ｃ、１１ｂ、１１ｄを同一平面上に構成することができ、装置全体を小型化することが出来る。この時、偏光ビームスプリッタ７の偏光面７ａを、光束分割方向がＸ軸方向に対して、ＹＺ平面と配置することにより、受光素子１１ａ、１１ｃ、１１ｂ、１１ｄを所謂４分割センサにて構成することができ、汎用品の流用が可能になり、装置のコストダウンが図れる。
【００６０】
尚、以上の各実施形態の構成は図１（Ａ），（Ｂ）に示す構成を流用している。
【００６１】
以上の各実施形態においては、ロータリーエンコーダに適用した例を説明したが、本発明はロータリーエンコーダだけでなく、リニアエンコーダ等の他の光学式の変位情報検出装置にも同様に適用できる。
【００６２】
【発明の効果】
本発明によれば以上のように、各要素を設定し、変位物体の変位情報を位相差が９０°の４つの正弦波信号（プッシュプル信号）に変換して検出することにより光の利用効率を高め、高精度の変位情報を得ることができる変位情報検出装置を達成することができる。
【００６３】
特に本発明によれば、変位物体の変位量を位相差が９０°の４つの正弦波信号（プッシュプル信号）に変換して検出する手段において、従来の方式に比べて装置の小型化ならびに光の利用効率を高めることができ、検出精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の要部概略図
【図２】図１の一部分の光路を展開した説明図
【図３】実施形態１における直線偏光の回転方向の変位を示す説明図
【図４】実施形態１における４つの出力信号の説明図
【図５】本発明の実施形態２の一部分を示す斜視図
【図６】本発明の実施形態３の一部分を示す斜視図
【図７】本発明の実施形態４の一部分を示す斜視図
【図８】本発明の実施形態５の一部分を示す斜視図
【図９】本発明の実施形態６の一部分を示す斜視図
【図１０】本発明の実施形態７の一部分を示す斜視図
【図１１】本発明の実施形態７の説明図
【図１２】本発明の実施形態８の一部分を示す斜視図
【図１３】本発明の実施形態９の一部分を示す斜視図
【図１４】従来の変位情報検出装置の全体の構成を示す平面図
【図１５】図１４の一部分の要部斜視図
【符号の説明】
１，１０１ 光束
２，１０２ １／４波長板
３，１０３ 光分割手段
４ａ，４ｂ 光分割手段３によって分割された２ 光束
５，１０５ １／２波ｕ 長板
６ １／４波長板
７ 偏光ビームスプリッタ
８ 直角プリズム
９ａ 光束４ａのＳ偏光成分
９ｂ 光束４ａのＰ 偏光成分
９ｃ 光束４ｂのＳ偏光成分
９ｄ 光束４ｂのＰ 偏光成分
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ 受光素子
１３ １／４波長板
１４ １／２波長板
２１ 光源
２２ コリメータレンズ
２３ 偏光ビームスプリッタ（偏光光分割手段）
２４ 偏光分割面
２７ プリズム
２８ 回折格子
２９ １／４波長板
３０ 反射手段
３１ ディスク
１０４ａ，１０４ｂ 光分割手段３によって分割された２ 光束
１０７ 非偏光ビームスプリッタ
１０９ａ 光束１０４ａのＳ偏光成分
１０９ｂ 光束１０４ａのＰ 偏光成分
１０９ｃ 光束１０４ｂのＳ偏光成分
１０９ｄ 光束１０４ｂのＰ 偏光成分
１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄ 偏光板
１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄ 受光素子
Ｐ２１ 光源
１２２ コリメータレンズ
１２３ 偏光ビームスプリッタ（偏光光分割手段）
１２４ 偏光分割面
１２７ プリズム
１２８ 回折格子
１２９ １／４波長板
１３０ 反射手段
１３１ ディスク
【発明の属する技術分野】
本発明は、変位情報検出装置に関し、特に変位物体の位置情報、変位量情報、変位方向等の変位情報を該変位物体によって位相の変動を加えられた可干渉性光束の重ね合せによって直線偏光方位の回転に変換し、該直線偏光方位の回転量及び方向を検出することにより該変位物体の変位情報を検出するようにした変位情報検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より変位物体の変位情報を検出する装置としてロータリーエンコーダやリニアエンコーダ等の変位情報検出装置が使用されている。
【０００３】
図１４（Ａ）は従来のロータリーエンコーダなる変位情報検出装置の全体の構成を示す平面図であり、図１４（Ｂ）は側面図、図１５は図１４（Ａ）の一部の光路を展開したときの要部概略図である。
【０００４】
図中、１３１はディスクであり、透明の円板状の部材より成り変位物体に固定して変位物体とともに回転する。ディスク１３１の表面には１つの輪帯上に放射状の回折格子１２８を備えており、該回折格子１２８を介した光を検出することによって変位物体の変位情報を検出することができる。
【０００５】
１２１は光源であり、半導体レーザで構成している。１２２はコリメータレンズであり、光源１２１からの放射光を平行光に変換する。１２３は偏光ビームスプリッタであり、プリズム１２３Ａとプリズム１２３Ｂとを接合面１２４で接合して構成している。
【０００６】
接合面１２４は偏光分割面であり、入射光の直線偏光の方向によって光を遮光若しくは反射する。１２７Ａ、１２７Ｂはプリズムである。１２９Ａ、１２９Ｂは１／４波長板、１３０Ａ、１３０Ｂは反射手段である。１０２は１／４波長板、１０３は光分割手段であり、格子方向が２次元の位相型回折格子である。１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄは偏光素子、１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄ（１１１）は受光素子（光検出手段）である。
【０００７】
図１５は図１４の１／４波長板１０２から受光素子１１１までの光学系の各要素の配置を示す斜視図である。
【０００８】
この従来例の光学的作用を説明する。光源１２１より射出された光束はコリメータレンズ１２２によって略平行光となり、偏光ビームスプリッタ（偏光分割手段）１２３に入射後、偏光分割面１２４に導光し、等光量の反射光束１２５と透過光束１２６に分割する。
【０００９】
このうち、例えば偏光分割面１２４に対して垂直方向の直線偏光の反射光束１２５はプリズム１２３Ａとプリズム１２７Ａを介してディスク１３１上の回折格子１２８の位置Ｍ１０１に入射・回折し、特定次数の回折光光束が１／４波長板１２９Ａを経て円偏光となり、反射手段１３０Ａで反射後、逆回りの円偏光として同一光路を逆進し、再度１／４波長板１２９Ａを通過後、入射時とは偏光方位が９０°異なる直線偏光の光束となって回折格子１２８の位置Ｍ１０１に再入射・回折し、プリズム１２７Ａを介して偏光ビームスプリッタ１２３に再入射し、今度は偏光分割面１２４を透過後、該ビームスプリッタ１２３から光束１０１ａとして射出する。
【００１０】
また、偏光分割面１２４に対して平行方向の直線偏光の透過光束１２６はプリズム１２３Ｂとプリズム１２７Ｂを介してディスク１３１の回折格子１２８の位置Ｍ１０２（回転軸に対して位置Ｍ１０１の対称位置）に入射・回折し、特定次数の回折光光束が１／４波長板１２９Ｂを経て円偏光となり、反射手段１３０Ｂで反射後、逆回りの円偏光として同一光路を逆進し、再度１／４波長板１２９Ｂを通過後、入射時とは偏光方位が９０°異なる直線偏光の光束となって回折格子１２８の位置Ｍ１０２に再入射・回折し、プリズム１２７Ｂを介して偏光ビームスプリッタ１２３に再入射し、今度は偏光分割面１２４を反射後、該ビームスプリッタ１２３から光束１０１ｂとして射出する。
【００１１】
これら２つの光束１０１ａ、１０１ｂは重ね合わされて光束１０１となり、１／４波長板１０２を透過し、直線偏光に変換される。この直線偏光の方位は、ディスク１３１の回折格子１２８の変位に伴って回転し、回折格子１２８の１ピッチ分の変位当たり２回転する。
【００１２】
この直線偏光の光束を光分割手段１０３と偏光ビームスプリッタ１０７により、反射光と透過光の全体として４つの光束１０９ａ、１０９ｂ、１０９ｃ、１０９ｄに分割する。分割された光束１０９ａ、１０９ｂ、１０９ｃ、１０９ｄは偏光方位が互いに４５°異なるように設定した偏光素子１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄに入射する。そして光束１０９ａ、１０９ｂ、１０９ｃ、１０９ｄの直線偏光の偏光方位は変位物体の変位に伴って回転するので、受光素子（光検出手段）１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄが受光する偏光素子１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄを透過した光束の光量は変位物体の変位に伴って正弦波上に変化し、受光素子１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄからは位相差が９０°の４つの正弦波信号（プッシュプル信号）が出力される。この４つの正弦波信号を利用してディスク１３１を固定している変位物体の回転角や変位方向等の変位情報を検出している。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
図１４，図１５に示すような変位物体（ディスク）の変位量を直線偏光方位の回転に変換する装置において、位相差が９０°の４つの正弦波信号（プッシュプル信号）を検出する手段として、４分割された光束を互いに偏光方向が４５°異なる偏光素子を介して受光素子で受光する方法がある。この方法は、１つの受光素子から得られる最大振幅は４分割する前の光束の振幅を１とすると１／４であり、さらなる光の利用効率の向上を求められていた。
【００１４】
本発明は、変位物体の変位情報を位相差が９０°の４つの正弦波信号（プッシュプル信号）に変換して検出することにより光の利用効率を高め、高精度の変位情報を得ることができる変位情報検出装置の提供を目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の変位情報検出装置は、
（１−１） 変位物体の変位量を該変位物体を介した直線偏光の直線偏光方位の回転情報を検出して求める変位情報検出装置において、該変位物体を介したＰ偏光成分およびＳ偏光成分に対して４５°の角度をなす方向に進相軸方向を配置し、該Ｐ偏光成分およびＳ偏光成分をそれぞれ互いに逆回りの円偏光に変換する１／４波長板と、入射光束を２分割する光分割手段と、Ｐ偏光またはＳ偏光の振動方向に対して２２．５°の角度をなす方向に進相軸方向を配置し、２分割した入射光束のうちの一方の直線偏光方位を変化させる１／２波長板と、２分割した光束のＰ偏光成分を透過しＳ偏光成分を反射する偏光ビームスプリッタと、２分割した光束のそれぞれのＰ偏光成分とＳ偏光成分を受光する４つの受光素子によって、位相差が９０°の４つの正弦波信号を検出し、該正弦波信号を利用して変位物体の変位情報を検出することを特徴としている。
【００１６】
特に、
（１−１−１） 前記偏光ビームスプリッタの２つの光出射面の一方に直角プリズムを接着し、前記偏光ビームスプリッタから出射される４つの光束の出射方向を同じにすることにより、４つの光束を受光する受光素子を同一平面上に配置したこと。
【００１７】
（１−１−２） 前記偏光ビームスプリッタから出射される４つの光束を受光する受光素子は４分割センサであること。
等を特徴としている。
【００１８】
（１−２） 変位物体の変位量を該変位物体を介した直線偏光の直線偏光方位の回転情報を検出して求める変位情報検出装置において、該変位物体を介したＰ偏光成分とＳ偏光成分を２分割する光分割手段と、Ｐ偏光成分またはＳ偏光成分と一致した方向に進相軸を配置した１／４波長板とＰ偏光成分およびＳ偏光成分に対して４５°の角度をなす方向に進相軸方向を配置し、入射するＰ偏光成分およびＳ偏光成分をそれぞれ互いに逆回りの円偏光に変換する１／４波長板と、２分割した光束のＰ偏光成分を透過しＳ偏光成分を反射する偏光ビームスプリッタと、２分割した光束のそれぞれのＰ偏光成分とＳ偏光成分を受光する４つの受光素子によって、位相差が９０°の４つの正弦波信号を検出し、該正弦波信号を利用して変位物体の変位情報を検出することを特徴としている。
【００１９】
特に、
（１−２−１） 前記偏光ビームスプリッタの２つの光出射面の一方に直角プリズムを接着し、前記偏光ビームスプリッタから出射される４つの光束の出射方向を同じにすることにより、４つの光束を受光する受光素子を同一平面上に配置したこと。
【００２０】
（１−２−２） 前記偏光ビームスプリッタから出射される４つの光束を受光する受光素子は４分割センサであること。
等を特徴としている。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明のロータリーエンコーダなる光学式の変位情報検出装置の実施形態１の要部概略図である。図２は図１の一部分の光路を展開した斜視図である。図１（Ａ）は全体の構成を示す平面図、図１（Ｂ）は側面図である。図中、３１はディスクであり、透明の円板状の部材より成り変位物体に固定して変位物体とともに回転する。ディスク３１の表面には１つの輪帯上に放射状の回折格子２８を備えており、回折格子２８を介した光束を検出することによって変位物体の変位情報を検出する。
【００２７】
２１は光源であり、半導体レーザやレーザダイオード等で構成している。２２はコリメータレンズであり、光源２１からの放射光を平行光に変換する。２３は偏光ビームスプリッタであり、プリズム２３Ａとプリズム２３Ｂとを接合面２４で接合して構成している。接合面２４は偏光分割面より成り、入射光の直線偏光の方向によって光を透過若しくは反射する。２７Ａ、２７Ｂは３角形状のプリズムであり、図１（Ｂ）に示すようにプリズム２３Ａ，２３Ｂに接合している。２９Ａ、２９Ｂは１／４波長板、３０Ａ、３０Ｂは反射手段である。２は１／４波長板、３は光分割手段であり、例えば格子を一次元方向に配列した位相型の回折格子である。５は１／２波長板（図１では不図示）、７は偏光ビームスプリッタ、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄは受光素子（光検出手段）である。図２は図１の１／４波長板２から受光素子１１までの光路を展開した斜視図である。
【００２８】
本実施形態の光学作用を説明する。光源２１より射出された光束はコリメータレンズ２２によって略平行光となり、偏光ビームスプリッタ（偏光分割手段）２３に入射後、偏光分割面２４に入射し、等光量の反射光束２５と透過光束２６に分割される。
【００２９】
このうち、例えば偏光分割面２４に対して垂直方向の直線偏光の反射光束２５はプリズム２３Ａとプリズム２７Ａを介してディスク３１上の回折格子２８の位置Ｍ１に入射・回折し、特定次数の回折光光束が１／４波長板２９Ａを経て円偏光となり、反射手段３０Ａで反射後、逆回りの円偏光として同一光路を逆進し、再度１／４波長板２９Ａを通過後、入射時とは偏光方位が９０°異なる直線偏光の光束となって回折格子２８の位置Ｍ１に再入射・回折し、プリズム２７Ａを介してプリズム２３Ａに再入射し、今度は偏光方向が９０°回転しているので偏光分割面２４を透過後、該プリズム２３Ｂから光束１ａとして射出する。
【００３０】
また、偏光分割面２４に対して平行方向の直線偏光の透過光束２６はプリズム２３Ｂとプリズム２７Ｂを介してディスク３１の回折格子２８の位置Ｍ２（回折格子２８（変位物体）の回転軸に対して位置Ｍ１の対称位置）に入射・回折し、特定次数の回折光光束が１／４波長板２９Ｂを経て円偏光となり、反射手段３０Ｂで反射後、逆回りの円偏光として同一光路を逆進し、再度１／４波長板２９Ｂを通過後、入射時とは偏光方位が９０°異なる直線偏光の光束となって回折格子２８の位置Ｍ２に再入射・回折し、プリズム２７Ｂを介してプリズム２３Ｂに再入射し、今度は偏光方向が９０°回転しているので偏光分割面２４を反射後、該プリズム２３Ｂから光束１ｂとして光束１ａと重なって射出する。
【００３１】
図２に示すようにこれら２つの光束（直線偏光）１ａ、１ｂは重ね合わされて光束１となり、進相軸（Ｆ軸）方向をＰ偏光成分およびＳ偏光成分に対して４５°の角度をなす方向に配置されている１／４波長板２を透過し、右回りと左回りの円偏光に変換している。この右回りと左回りの円偏光の合成により、所定方向に偏光軸を有する直線偏光に変換される。この直線偏光の方位は、ディスク３１の回折格子２８の変位に伴って回転し、回折格子２８の１ピッチ分の変位当たり２回転する。
【００３２】
この直線偏光の光束を光分割手段３により２つの光束４ａ、４ｂに分割する。光分割手段３は例えば位相型回折格子である。分割された光束４ａ、４ｂの一方（例えば光束４ａ）を進相軸（Ｆ軸）方向がＰ偏光またはＳ偏光の振動方向に対して２２．５°の角度をなす方向に配置されている１／２波長板５を透過させる。すると光束４ａは光束４ｂに対して直線の偏光方位が４５°ずれる。
【００３３】
この直線偏光方位のずれた、偏光方位が回転する２光束４ａ，４ｂを偏光ビームスプリッタ７に入射させると、反射するＳ偏光成分９ａ、９ｃと透過するＰ偏光成分９ｂ、９ｄに分離され、受光素子１１ａ、１１ｃ、１１ｂ、１１ｄによって各成分が受光される。尚、偏光ビームスプリッタ７でＳ偏光成分を透過させ、Ｐ偏光成分を反射するようにしても良い。以下の各実施形態で全て同じである。
【００３４】
この回転する直線偏光方位のずれと受光素子によって受光される出力変化の様子を図３，図４に示す。ただし、図３においては、変化する様子を離散的に４つの状態で示しているが、実際は連続的に変化するものである。図４より、変位物体（ディスク）の変位に伴って、位相が９０°ずれた４つの正弦波信号（プッシュプル信号）１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄが得られることがわかる。この４つの正弦波信号を利用してディスク３１を固定している変位物体の回転角及び変位方向を検出することができる。この場合、各受光素子１１ａ〜１１ｄにて受光する最大振幅は、光分割手段３に入射する光束の振幅を１とすると、１／２であり、従来例に比べて光の利用効率を高くすることができ、検出精度を向上させることができる。
【００３５】
このように直線偏光方位の回転量と回転方向を求めて変位物体の変位情報を検出している。
【００３６】
図５は本発明の実施形態２の光学系の一部を展開したときの説明図である。実施形態２の光学式の変位情報検出装置は、実施形態１において、偏光ビームスプリッタ７を透過した成分を折り返す為の直角プリズム８を偏光ビームスプリッタ７に接着し、受光素子１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄが同一平面上に構成されている他は、実施形態１の光学式の変位検出装置と同様に構成したものである。実施形態１と共通する部材には同一符号を付して重複説明を省略する。
【００３７】
実施形態２の光学式の変位情報検出装置は、直線偏光方位のずれた、偏光方位が回転する２光束４ａ、４ｂを偏光ビームスプリッタ７に入射させ、反射するＳ偏光成分９ａ、９ｃと透過するＰ偏光成分９ｂ、９ｄに分離する。その内、透過したＰ偏光成分９ｂ、９ｄは、偏光ビームスプリッタ７に接着された直角プリズム８によって、Ｓ偏光成分の出射方向と同じ方向に折り返される。こうすることにより、各成分９ａ〜９ｄを受光する受光素子１１ａ、１１ｃ、１１ｂ、１１ｄを同一平面上に構成することができ、装置全体を小型化することができる。
【００３８】
図６は本発明の実施形態３の光学系の一部を展開したときの説明図である。実施形態３の光学式の変位情報検出装置は、実施形態１に対して、偏光ビームスプリッタ７の偏光面７ａの向きが異なり、偏光ビームスプリッタ７を透過した成分を折り返す直角プリズム８が偏光ビームスプリッタ７に接着され、受光素子１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄが同一平面上に構成されていて、受光素子１１ａ〜１１ｄが所謂４分割センサにて構成されている他は、実施形態１の光学式の変位情報検出装置と同様である。図６において実施形態１と共通する部材には同一符号を付して重複説明を省略する。
【００３９】
実施形態３の光学式の変位情報検出装置は、直線偏光方位のずれた、偏光方位が回転する２光束４ａ、４ｂを偏光ビームスプリッタ７に入射させ、反射するＳ偏光成分９ａ、９ｃと透過するＰ偏光成分９ｂ、９ｄに分離する。その内、透過したＰ偏光成分９ｂ、９ｄは、偏光ビームスプリッタ７に接着された直角プリズム８によって、Ｓ偏光成分の出射方向と同じ方向に折り返される。こうすることにより、各成分を受光する受光素子１１ａ、１１ｃ、１１ｂ、１１ｄを同一平面上に構成することができ、装置全体を小型化することが出来る。この時、偏光ビームスプリッタ７の偏光面７ａを、光束分割方向がＸ軸方向に対して、ＹＺ平面に配置することにより、受光素子１１ａ、１１ｃ、１１ｂ、１１ｄを所謂４分割センサにて構成することができ、汎用品の流用が可能になり、装置のコストダウンが図れる。
【００４０】
図７は本発明の実施形態４の光学系の一部を展開したときの説明図である。実施形態４の光学式の変位情報検出装置は、実施形態１に対して、ディスク３１の回折格子２８の変位に伴って偏光方位が回転する２光束の、直線偏光方位をずらす方法の他は、実施形態１の光学式の変位情報検出装置と同様に構成したものであるので、実施形態１と共通する部材には同一符号を付して重複説明を省略する。
【００４１】
図７において偏光ビームスプリッタ２３から射出した光束１を光分割手段３により２つの光束４ａ、４ｂに分割する。光束分割手段３は例えば位相型回折格子である。分割された光束４ａ、４ｂの一方（例えば光束４ａ）を進相軸（Ｆ軸）方向がＰ偏光またはＳ偏光の振動方向と一致した方向に配置されている１／４波長板６を透過させる。この２光束４ａと４ｂを進相軸方向がＰ偏光成分およびＳ偏光成分に対して４５°の角度をなす方向に配置されている１／４波長板２を通過させ、直線偏光に変換する。１／４波長板２を透過した２光束の直線偏光の方位は、光束４ａのみ１／４波長板６を透過していることから、互いに４５°ずれている。
【００４２】
以下、実施形態１と同様の受光手段により、従来例に比べて光の利用効率を高めた光学式の変位情報検出装置を達成している。
【００４３】
図８は本発明の実施形態５の光学系の一部を展開したときの説明図である。実施形態５の光学式の変位情報検出装置は、図７の実施形態４において、偏光ビームスプリッタ７を透過した成分を折り返す直角プリズム８を偏光ビームスプリッタ７に接着し、受光素子１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄが同一平面上に構成されている他は、実施形態４の光学式の変位情報検出装置と同様に構成したものであるので、実施形態４と共通する部材には同一符号を付して重複説明を省略する。
【００４４】
実施形態５の光学式の変位情報検出装置は、直線偏光方位のずれた、偏光方位が回転する２光束４ａ、４ｂを偏光ビームスプリッタ７に入射させ、反射するＳ偏光成分９ａ、９ｃと透過するＰ偏光成分９ｂ、９ｄに分離している。その内、透過したＰ偏光成分９ｂ、９ｄは、偏光ビームスプリッタ７に接着された直角プリズム８によって、Ｓ偏光成分の出射方向と同じ方向に折り返される。こうすることにより、各成分を受光する受光素子１１ａ、１１ｃ、１１ｂ、１１ｄを同一平面上に構成することができ、装置全体を小型化することができる。
【００４５】
図９は本発明の実施形態６の光学系の一部を展開したときの説明図である。実施形態６の光学式の変位情報検出装置は、図８の実施形態５に対して、偏光ビームスプリッタ７の偏光面７ａの向きが異なり、偏光ビームスプリッタ７を透過した成分を折り返す直角プリズム８が偏光ビームスプリッタ７に接着され、受光素子１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄが同一平面上に構成されていて、所謂４分割センサにて構成されている他は、実施形態５の光学式の変位情報検出装置と同様に構成したものであるので、実施形態５と共通する部材には同一符号を付して重複説明を省略する。
【００４６】
実施形態６の光学式の変位情報検出装置は、直線偏光方位のずれた、偏光方位が回転する２光束４ａ、４ｂを偏光ビームスプリッタ７に入射させ、反射するＳ偏光成分９ａ、９ｃと透過するＰ偏光成分９ｂ、９ｄに分離する。その内、透過したＰ偏光成分９ｂ、９ｄは、偏光ビームスプリッタ７に接着された直角プリズム８によって、Ｓ偏光成分の出射方向と同じ方向に折り返される。こうすることにより、各成分を受光する受光素子１１ａ、１１ｃ、１１ｂ、１１ｄを同一平面上に構成することができ、装置全体を小型化することが出来る。この時、偏光ビームスプリッタ７の偏光面７ａを、光束分割方向がＸ軸方向に対して、ＹＺ平面と配置することにより、受光素子１１ａ、１１ｃ、１１ｂ、１１ｄを所謂４分割センサにて構成することができ、汎用品の流用が可能になり、装置のコストダウンが図れる。
【００４７】
図１０は本発明の実施形態７の光学系の一部を展開したときの説明図である。実施形態７の光学式の変位情報検出装置は、偏光ビームスプリッタ２３から光束１が射出するまでは実施形態１と同様であるので重複説明を省略する。
【００４８】
偏光ビームスプリッタ２３から射出した光束１を、進相軸（Ｆ軸）方向がＰ偏光またはＳ偏光の振動方向に対して２２．５°の角度をなす方向に配置されている１／２波長板１４を透過させて、光束１のＳ偏光成分とＰ偏光成分の振動方向を４５°回転させる。回転後の成分をそれぞれＳ’偏光成分、Ｐ’偏光成分とする。
【００４９】
光束１を光分割手段３により、２つの光束４ａ、４ｂに分割する。分割した光束４ａ、４ｂの一方（例えば光束４ａ）を進相軸方向がＳ’偏光成分またはＰ’偏光成分と一致した方向に配置された１／４波長板１３を透過させる。
【００５０】
この２光束の振動方向の変化の様子を図１１に示す。ただし、ここでは離散的に状態（１）→（２）→（３）→（４）と変化する様に示しているが、実際は連続的に変化するものである。
【００５１】
また、光束４ａと４ｂの関係は、光束４ａが状態（１）の時、光束４ｂは状態（２）、光束４ａが状態（２）の時、光束４ｂは状態（３）、光束４ａが状態（３）の時、光束４ｂは状態（４）、光束４ａが状態（４）の時、光束４ｂは状態（１）、または光束４ａが状態（１）の時、光束４ｂは状態（４）、光束４ａが状態（２）の時、光束４ｂは状態（１）、光束４ａが３の時、光束４ｂは状態（２）、光束４ａが状態（４）の時、光束４ｂは状態（３）となるように１／４周期（位相差９０°）ずれていて、１／４波長板１３をＳ’成分かＰ’成分のどちらに一致させるかによってずれ方が変わってくる。
【００５２】
状態（１）においては、Ｘ軸方向に振動する成分が相殺されて、Ｘ軸方向に振動する直線偏光になり、状態（２）においては、進行方向のＺ軸を中心に右’回りに回転する円偏光になり、状態（３）においては、Ｙ軸方向に振動する成分が相殺されて、Ｚ軸方向に振動する直線偏光になり、状態（４）においては、進行方向のＺ軸を中心に左回りに回転する円偏光になる。
【００５３】
この２光束４ａ、４ｂをＸ軸方向に振動する成分を透過し、Ｙ軸方向に振動する成分を反射する偏光面７ａをもつ偏光ビームスプリッタ７に入射させる。光束４ａ、４ｂの反射成分を９ａ、９ｃ、透過成分を９ｂ、９ｄとし、それぞれ受光素子１１ａ、１１ｃ、１１ｂ、１１ｄに入射する。すると、ディスク３１の変位に伴って、光束の状態が（１）→（２）→（３）→（４）と変化し、各受光素子で受光する強度が変化する。光束４ａと４ｂの変化の周期が１／４周期（位相差９０°）ずれていることと、各光束の透過する成分と反射成分は逆相（位相差１８０°）になるので、受光素子１１ａ、１１ｃ、１１ｂ、１１ｄからは位相が９０°ずれた４つの正弦波信号（プッシュプル信号）が得られる。
【００５４】
また、この場合、各受光素子にて受光する最大振幅は、光分割手段３に入射する光束の振幅を１とすると、１／２であり、従来例に比べて光の利用効率を高くすることができる。
【００５５】
また、本実施形態においては、光束１を１／２波長板１４を透過させる代わりに、光束分割手段３と１／４波長板１３と偏光ビームスプリッタ７をＺ軸を回転軸にして４５°回転させても同様の効果が得られる。
【００５６】
図１２は本発明の実施形態８の光学系の一部を展開したときの説明図である。実施形態８の光学式の変位情報検出装置は、図１０の実施形態７において、偏光ビームスプリッタ７を透過した成分を折り返す直角プリズム８を偏光ビームスプリッタ７に接着し、受光素子１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄが同一平面上に構成されている他は、実施形態７の光学式の変位情報検出装置と同様に構成したものであるので、実施形態７と共通する部材には同一符号を付して重複説明を省略する。
【００５７】
実施形態８の光学式の変位情報検出装置は、偏光ビームスプリッタ７を透過（または反射）する振動方向に対して、光束の振動方向が４５°ずれていて、その２光束４ａ、４ｂを偏光ビームスプリッタ７に入射させ、反射する成分９ａ、９ｃと透過する成分９ｂ、９ｄに分離する。その内、透過した成分９ｂ、９ｄは、偏光ビームスプリッタ７に接着された直角プリズム８によって、偏光ビームスプリッタ７によって反射される成分の出射方向と同じ方向に折り返される。こうすることにより、各成分を受光する受光素子１１ａ、１１ｃ、１１ｂ、１１ｄを同一平面上に構成することができ、装置全体を小型化することができる。
【００５８】
図１３は本発明の実施形態９の光学系の一部を展開したときの説明図である。
実施形態９の光学式の変位情報検出装置は、図１２の実施形態８に対して、偏光ビームスプリッタ７の偏光面７ａの向きが異なり、偏光ビームスプリッタ７を透過した成分を折り返す直角プリズム８が偏光ビームスプリッタ７に接着され、受光素子１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄが同一平面上に構成されていて、所謂４分割センサにて構成されている他は、実施形態８の光学式の変位情報検出装置と同様に構成したものであるので、実施形態８と共通する部材には同一符号を付して重複説明を省略する。
【００５９】
実施形態９の光学式の変位情報検出装置は、偏光ビームスプリッタ７を透過（または反射）する振動方向に対して、光束の振動方向が４５°ずれていて、その２光束４ａ、４ｂを偏光ビームスプリッタ７に入射させ、反射する成分９ａ、９ｃと透過する成分９ｂ、９ｄに分離する。その内、透過した９ｂ、９ｄは、偏光ビームスプリッタ７に接着された直角プリズム８によって、偏光ビームスプリッタ７によって反射される成分の出射方向と同じ方向に折り返される。こうすることにより、各成分を受光する受光素子１１ａ、１１ｃ、１１ｂ、１１ｄを同一平面上に構成することができ、装置全体を小型化することが出来る。この時、偏光ビームスプリッタ７の偏光面７ａを、光束分割方向がＸ軸方向に対して、ＹＺ平面と配置することにより、受光素子１１ａ、１１ｃ、１１ｂ、１１ｄを所謂４分割センサにて構成することができ、汎用品の流用が可能になり、装置のコストダウンが図れる。
【００６０】
尚、以上の各実施形態の構成は図１（Ａ），（Ｂ）に示す構成を流用している。
【００６１】
以上の各実施形態においては、ロータリーエンコーダに適用した例を説明したが、本発明はロータリーエンコーダだけでなく、リニアエンコーダ等の他の光学式の変位情報検出装置にも同様に適用できる。
【００６２】
【発明の効果】
本発明によれば以上のように、各要素を設定し、変位物体の変位情報を位相差が９０°の４つの正弦波信号（プッシュプル信号）に変換して検出することにより光の利用効率を高め、高精度の変位情報を得ることができる変位情報検出装置を達成することができる。
【００６３】
特に本発明によれば、変位物体の変位量を位相差が９０°の４つの正弦波信号（プッシュプル信号）に変換して検出する手段において、従来の方式に比べて装置の小型化ならびに光の利用効率を高めることができ、検出精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の要部概略図
【図２】図１の一部分の光路を展開した説明図
【図３】実施形態１における直線偏光の回転方向の変位を示す説明図
【図４】実施形態１における４つの出力信号の説明図
【図５】本発明の実施形態２の一部分を示す斜視図
【図６】本発明の実施形態３の一部分を示す斜視図
【図７】本発明の実施形態４の一部分を示す斜視図
【図８】本発明の実施形態５の一部分を示す斜視図
【図９】本発明の実施形態６の一部分を示す斜視図
【図１０】本発明の実施形態７の一部分を示す斜視図
【図１１】本発明の実施形態７の説明図
【図１２】本発明の実施形態８の一部分を示す斜視図
【図１３】本発明の実施形態９の一部分を示す斜視図
【図１４】従来の変位情報検出装置の全体の構成を示す平面図
【図１５】図１４の一部分の要部斜視図
【符号の説明】
１，１０１ 光束
２，１０２ １／４波長板
３，１０３ 光分割手段
４ａ，４ｂ 光分割手段３によって分割された２ 光束
５，１０５ １／２波ｕ 長板
６ １／４波長板
７ 偏光ビームスプリッタ
８ 直角プリズム
９ａ 光束４ａのＳ偏光成分
９ｂ 光束４ａのＰ 偏光成分
９ｃ 光束４ｂのＳ偏光成分
９ｄ 光束４ｂのＰ 偏光成分
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ 受光素子
１３ １／４波長板
１４ １／２波長板
２１ 光源
２２ コリメータレンズ
２３ 偏光ビームスプリッタ（偏光光分割手段）
２４ 偏光分割面
２７ プリズム
２８ 回折格子
２９ １／４波長板
３０ 反射手段
３１ ディスク
１０４ａ，１０４ｂ 光分割手段３によって分割された２ 光束
１０７ 非偏光ビームスプリッタ
１０９ａ 光束１０４ａのＳ偏光成分
１０９ｂ 光束１０４ａのＰ 偏光成分
１０９ｃ 光束１０４ｂのＳ偏光成分
１０９ｄ 光束１０４ｂのＰ 偏光成分
１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄ 偏光板
１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄ 受光素子
Ｐ２１ 光源
１２２ コリメータレンズ
１２３ 偏光ビームスプリッタ（偏光光分割手段）
１２４ 偏光分割面
１２７ プリズム
１２８ 回折格子
１２９ １／４波長板
１３０ 反射手段
１３１ ディスク
Claims (6)
- 変位物体の変位量を該変位物体を介した直線偏光の直線偏光方位の回転情報を検出して求める変位情報検出装置において、該変位物体を介したＰ偏光成分およびＳ偏光成分に対して４５°の角度をなす方向に進相軸方向を配置し、該Ｐ偏光成分およびＳ偏光成分をそれぞれ互いに逆回りの円偏光に変換する１／４波長板と、入射光束を２分割する光分割手段と、Ｐ偏光またはＳ偏光の振動方向に対して２２．５°の角度をなす方向に進相軸方向を配置し、２分割した入射光束のうちの一方の直線偏光方位を変化させる１／２波長板と、２分割した光束のＰ偏光成分を透過しＳ偏光成分を反射する偏光ビームスプリッタと、２分割した光束のそれぞれのＰ偏光成分とＳ偏光成分を受光する４つの受光素子によって、位相差が９０°の４つの正弦波信号を検出し、該正弦波信号を利用して変位物体の変位情報を検出することを特徴とする変位情報検出装置。
- 前記偏光ビームスプリッタの２つの光出射面の一方に直角プリズムを接着し、前記偏光ビームスプリッタから出射される４つの光束の出射方向を同じにすることにより、４つの光束を受光する受光素子を同一平面上に配置したことを特徴とする請求項１に記載の変位情報検出装置。
- 前記偏光ビームスプリッタから出射される４つの光束を受光する受光素子は４分割センサであることを特徴とする請求項２に記載の変位情報検出装置。
- 変位物体の変位量を該変位物体を介した直線偏光の直線偏光方位の回転情報を検出して求める変位情報検出装置において、該変位物体を介したＰ偏光成分とＳ偏光成分を２分割する光分割手段と、Ｐ偏光成分またはＳ偏光成分と一致した方向に進相軸を配置した１／４波長板とＰ偏光成分およびＳ偏光成分に対して４５°の角度をなす方向に進相軸方向を配置し、入射するＰ偏光成分およびＳ偏光成分をそれぞれ互いに逆回りの円偏光に変換する１／４波長板と、２分割した光束のＰ偏光成分を透過しＳ偏光成分を反射する偏光ビームスプリッタと、２分割した光束のそれぞれのＰ偏光成分とＳ偏光成分を受光する４つの受光素子によって、位相差が９０°の４つの正弦波信号を検出し、該正弦波信号を利用して変位物体の変位情報を検出することを特徴とする変位情報検出装置。
- 前記偏光ビームスプリッタの２つの光出射面の一方に直角プリズムを接着し、前記偏光ビームスプリッタから出射される４つの光束の出射方向を同じにすることにより、４つの光束を受光する受光素子を同一平面上に配置したことを特徴とする請求項４に記載の変位情報検出装置。
- 前記偏光ビームスプリッタから出射される４つの光束を受光する受光素子は４分割センサであることを特徴とする請求項５に記載の変位情報検出装置。
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