JPH041456Y2

JPH041456Y2 -

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Publication number: JPH041456Y2
Application number: JP1984056401U
Authority: JP
Priority date: 1984-04-17
Filing date: 1984-04-17
Publication date: 1992-01-20
Also published as: JPS60169517U

Description

【考案の詳細な説明】（考案の技術分野）本考案は、反射形のスケールを用い、スケール
からの反射回折光の干渉光強度変化を計数してス
ケール移動量を測定する光学式スケール読取装置
に関するものである。更に詳しくは、本考案は、
出願人が先に、特願昭58−39951号で提案した装
置において、光学系の調整が容易に行なえるよう
にした光学式スケール読取装置に関するものであ
る。

（考案の背景）第１図は、特願昭58−39951号で示されている
装置の構成図である。図において、１１は半導体
レーザ等を用いた可干渉性光源、２２は該光源の
発射光を受ける集光レンズ、２３は反射形スケー
ル、２４，２５はそれぞれスケール２３の反射回
折光を受けるミラー、２６はこれらミラーの反射
光を受ける第１のハーフミラー、２７は該第１の
ハーフミラーの透過光を受けて混合干渉させる第
２のハーフミラー、２８，２９は該第２のハーフ
ミラーの位相の異なる回折光を受けて電気信号に
変換する受光素子、３０，３１はこれら受光素子
の出力を増幅する増幅器、３２はこれら増幅器の
出力を受けて演算処理を施しスケール２３の移動
距離を算出する信号処理回路、３３は該信号処理
回路の出力を表示する表示部、３４は第１のハー
フミラー２６の反射光を受ける受光素子である。
このように構成された装置の動作を説明すれば、
以下のとおりである。

半導体レーザ２１の出力光はレンズ２２によつ
て受光素子２８，２９に集光する角度（もしくは
平行光）になる。このとき、偏光面を図に示す向
きになるようにしておく。この光をスケール２３
に投射する。スケールとしては例えば正確に溝を
一定間隔で刻まれた回折格子或いはホログラフイ
技術による回折格子等が使用される。従つて投射
された光は回折する。このときの回折角θはスケ
ールピツチｄ、半導体レーザ２１の波長をλとす
ると次式が成立する。

sinθ＝mλ／ｄ（ｍ；整数）但し−90°≦θ≦90°、−１≦mλ／ｄ≦＋１ここ
で、たとえばλ＝0.78μm、ｄ＝0.83μmとすると
ｍ＝０，±１となり θ＝0° （ｍ＝０で０次回折光） θ＝±70.0° （ｍ＝±１で±１次回折光）となる。±１次回折光はそれぞれミラー２４，２
５で反射され、ハーフミラー２６を通過した後第
２のハーフミラー２７で混合し干渉させられる。
この干渉させられた光はそれぞれ受光素子２８，
２９で電気信号に変換される。このとき、干渉し
た光には90°の位相差を持たせなければならない。
以下にその方法を示す。第２図はハーフミラー２
７で干渉するときの様子を示す図である。図にお
いて、４０はガラス、４１は金属半透過面であ
る。一般に金属面での反射の際には位相が遅れガ
ラス面での反射および透過光は位相は遅れない。
同図において、−１次回折光のハーフミラー２７
での反射による位相遅れをδ_r1、＋１次回折光の反
射による位相遅れをδ_r2、該ハーフミラーのガラ
ス媒質中での位相遅れをそれぞれ図に示すように
δ_t1〜δ_t3とする。＋１次光がハーフミラーで反射透
過して受光素子２８，２９の方向へ行く光を
P₊₁，Q₊₁、−１次光が同様に受光素子の方向へ行
く光をP_-1，Q_-1とする。これら４つの光束の位
相遅れはそれぞれ次のようになる。

P₊₁；δ_t1＋δ_r2＋δ_t2，P_-1；δ_t3， Q₊₁；δ_t1，Q_-1；δ_r1 従つて、P₊₁とP_-1の位相差Δ₁、Q₊₁とQ_-1の位
相差Δ₂はそれぞれ次式で表される。

Δ₁＝δ_t1＋δ_r2＋δ_t2−δ_t3 Δ₂＝δ_t1−δ_r1 ここで、P₊₁とP_-1の光路を一致させればδ_t2＝
δ_t3となる。従つて次式が成立する。

Δ₁＝δ_t1＋δ_r2 さて、P₊₁とP_-1およびQ₊₁とQ_-1がそれぞれ干
渉し受光素子２８，２９に入射する。このとき受
光素子２８，２９の出力の位相差をαとすれば α＝Δ₁−Δ₂ ＝δ_t1＋δ_r2−δ_t1＋δ_r1 ＝δ_r1＋δ_r2 となる。従つて、受光素子２８，２９の位相差は
δ_r1およびδ_r2のみで決まり、ハーフミラー２７の
ガラスの厚さには無関係である。金属面でのδ_r1，
δ_r2の値は、入射角φと入射光の偏光面の角度に
よつて決まる。δ_r1，δ_r2が最大になるのは偏光面
を第２図に示す向きにとつたときで、このときフ
レネルの公式および屈折の法則より次式が成立す
る。

Rp＝tan（φ−χ）／tan（φ＋χ）Ap sinχ＝sinφ／ｎ（１＋ik）但し、 Rp；反射光複素振幅 Ap；入射光複素振幅 χ；複素屈折角ｎ；金属の屈折率ｋ；減衰定数上式からχを消去すれば反射光の位相遅れδは次
式で示される。

δ＝tan^-1Rp／Ap＝tan^-1〔2nk tanφsinφ（ta
n²φ＋１）／tan²φ｛n²＋（nk）²｝sin²φ（tan²φ＋
１）²〕しかし、ハーフミラーの場合には金属面のほか
にガラス面の部分での反射があると考えられる。
ガラス面での反射はブリユータス角を境にして位
相が180°反転する。

そこで、ハーフミラーの場合で、入射角φと受
光素子２８，２９間の位相差αの関係を実測する
と第３図に示すようなものとなり、金属面反射の
特性とガラス面反射の特性を併せもちインコネル
ハーフミラーの場合φ＝約75°でα＝90°となる。
図において、横軸は入射角φを、縦軸は受光素子
２８，２９間の位相３αをそれぞれ示している。
従つて、この出力によつてスケールの移動方向が
判別でき、正弦波の波の数を計数して移動量がわ
かる。出力は正確に90°位相差のある正弦波なの
でさらにアナログ的に補間して分解能1/100〜1/1
０００μmの超高分解能が得られ、これを表示したり
或いは位置制御に使用したりすることができる。
この90°の位相差信号を処理する構成はその目的
によつて一般的な各種のものが考えられる。この
ような構成にした場合、スケールに投射される光
ビーム径は約４〜５mmで、スケールのピツチｄを
0.8μmとすればこのビーム径の中に格子は5000本
程度ありこの全ての格子で１本の干渉縞を作るこ
とになる。従つて、スケールの格子欠陥や小さな
ピツチむら或いはスケールに付着したゴミや汚れ
の影響も非常に小さくできる。ところで、第１図
の第１のハーフミラー２６と受光素子３４は±１
次回折光の光パワーのモニタとして用いられるも
ので、受光素子２８，２９の出力正弦波のバイア
ス部分を除くための電圧をつくるものである。こ
のようにすれば、スケールの各場所で回折効率が
変動したり、ゴミや汚れで±１次回折光の強度が
変わつて受光素子２８，２９の出力が変化しても
正確な正弦波とすることができ正確にパルスに変
換することができる。しかし、スケールが均一で
移動に際し位置や角度の変化が小さいような場合
は特に無くてもよいのである。この装置の特長を
列挙すれば、以下のとおりである。

(1) 100mm以上にわたつて、1/100〜1/1000μmの
超高分解能である。

(2) ハーフミラーの反射での位相遅れを利用し、
偏光板、1/4波長板を使用していないので構成
が簡単になる。

(3) スケールに投射する光束が太く、受光素子上
で空間フイルタ等を使用していないのでスケー
ル上のゴミや汚れの或いはスケールの欠陥ピツ
チむらの影響が少ない。

(4) スケールとヘツドの間隔の許容差が大きい。

(5) 反射形スケールを用いているのでスケールの
取付が簡単である。

ところで、この様な構成の装置においては、ミ
ラー２４，２５からの２光束が第２のハーフミラ
ー２７上で正確に交わるようにすること、２光束
が、第２のハーフミラー２７において全面干渉す
ること、スケールを移動したとき受光素子２８，
２９から得られる信号の位相差が正確に90°にな
ること等を満足するように、各光学系、とりわ
け、第２のハーフミラーの設置位置や角度を調整
する必要がある。

（本考案の目的）ここにおいて、本考案は、第２のハーフミラー
の設置位置や角度等を容易に調整することのでき
る光学式スケール読取装置を実現しようとするも
のである。

（本考案の概要）本考案に係る装置は、可干渉性光源を反射形ス
ケールに照射し、反射回折光をハーフミラーで混
合干渉させるとともに、入射光を特定の入射角に
なるように構成してハーフミラーの両側に出射す
る干渉光同士の位相差を90°とし、該干渉光をそ
れぞれ受光素子で電気信号に変換した後演算処理
しスケールの移動を測定することができるように
した光学式スケール読取装置であつて、前記ハー
フミラーを弾性変形を利用したてこ式変位縮小機
構を有する部材に取付けるようにした点に特徴が
ある。

（実施例）第４図は、本考案に係る装置の構成図で、イは
正面図、ロは側面図である。これらの図におい
て、第１図装置における各部分と対応する部分に
は同一符号を付して示し、その説明は省略する。

第５図は、第４図において、ミラー２４，２５
が取付けられている部分を示す要部構成図で、イ
は側面図、ロは背面図である。この図において、
ミラー２４，２５は、円柱体をその軸に対して角
度θ₁で切断した支持部材４１上に取付けられてい
る。この支持部材４１はバネ部４２によつて円柱
状のネジ部材４３に連結している。このネジ部材
４３には、背面側よりネジ４４，４５が螺合して
おり、その先端部はバネ部４２の両側空〓まで貫
通し、支持部材４１を押圧している。

よつて、ネジ４４，４５を回転することで、支
持部材４１は、バネ部４２を支点として傾き、従
つて支持部材４１に取付けてあるミラー２４，２
５のスケール面に対する角度を調整できるように
してある。

第６図は、第４図において、ハーフミラー２７
が取付けられている部分を示す構成図で、イは正
面図、ロはイにおけるロ−ロ断面図、ハは上面図
である。

ハーフミラー２７は、弾性変形を利用したてこ
式変位縮小機構を有する支持部材５１に取付けら
れている。すなわち、支持部材５１は、支点５２
によつて支持され、また、作用点５３を介しては
り５４に結合している。このはり５４は、支点５
５を有している。支持部材５１は、背面にハーフ
ミラ２７と平行するように設けられている支点５
６によつても支えられている。５７は第１の調整
ネジ、５８はロツク用のネジで、いずれもはり５
４を押圧している。

ここで、第１の調整ネジ５７を回転させ、はり
５４を押すと、はり５４は支点５５を中心として
矢印a₁方向に回転し、作用点５３にはてこの原理
によつてネジ５７の変位量（押圧量）のl₁／L₁倍
（L₁＞l₁）の微少変位量が与えられる。ただし、
L₁は支点５５と第１の調整ネジ５７との距離で
あり、l₁は支点５５と作用点５３との距離であ
る。作用点５３に微少変位が与えられると、支持
部材５１は、支点５２を中心として矢印a₂方向に
微少回転し、これによつてハーフミラー２７の角
度を微少調整することができる。ハーフミラー２
７の最適な角度の調整は、例えば受光素子２８又
は２９にTVカメラを設置し、ハーフミラー２７
から得られる干渉光を観測しながら、第１調整ネ
ジ５７を回転して行なわれる。最適位置（角度）
となつたら、ロツクネジ５８によつて、はり５４
を固定する。

６１は支持部材５１を押圧するピン６２を有す
るはりで、支点６３を介してネジ６４によつて固
定されている。６５は第２の調整ネジ、６６はロ
ツクネジである。

ここで、第２の調整ネジ６５を回転させ、はり
６１を押すと、はり６１は支点６３を中心として
矢印b₁方向に回転し、作用点となるピン６２は、
てこの原理によつて、ネジ６５の変位量のl₂／L₂
倍（L₂＞l₂）の微少変位量が与えられる。ただ
し、L₂は支点６３と第２の調整ネジ６５との距
離であり、l₂は支点６３と作用点であるピン６２
との距離である。ピン６２が、支持部材５１を押
圧すると、支持部材５１は支点５６を中心として
矢印ｂ方向（紙面に向かう方向）に微少回転し、
これによつてハーフミラー２７の角度、位置を微
少調整することができる。ハーフミラー２７の角
度、位置が最適位置に調整されたら、ロツクネジ
６６によつて、はり６１を固定する。

この様な構成によれば、ハーフミラー２７の設
置位置や角度を、容易に、かつ正確に微調整する
ことができる。

第７図及び第８図は、ハーフミラー２７の取付
部分の他の構成例を示す要部構成図である。

第７図の実施例において、イは正面図、ロは平
面図である。この例では、支持部材５１を２つの
支点５２ａ，５２ｂで第１のはり５４に結合さ
せ、また第１のはり５４を２つの支点５９ａ，５
９ｂを介して第２のはり６０ａ，６０ｂに結合さ
せたものである。第２のはり６０ａ，６０ｂは、
支点６０ｃ，６０ｄを有している。

５８αは、ハーフミラー２７を、第７図ハに示
すα方向に回転させ微調整する調整ネジ、５８ｘ
はｘ方向に位置調整する調整ネジ、７０は支持部
材５１の支点５２ａ，５２ｂの裏側に設けたザグ
リ穴で、調整ネジ６５βを押圧することによつ
て、ハーフミラー２７をβ方向に回転させ、微調
整する。

第８図の実施例においては、支持部材５１をひ
とつの支点５２ａを介してはり５４に結合させ、
また、はり５４は、支点５３ａ，５３ｂによつて
支持されるように構成したものである。第１の調
整ネジ５８ｘは、はり５４に係合しており、これ
を回転させて、ハーフミラー２７をｘ方向に移動
させ微調整する。また、第２の調整ネジ５８α
は、支持部材５１に係合し、ハーフミラー２７を
α方向に回転させ微調整する。第３の調整ネジβ
は、第７図と同様に構成されている支持部材５１
を押圧することによつて、ハーフミラー２７をβ
方向に回転させ微調整する。

なお、上記の実施例において、ミラー２４，２
５は第５図以外の他の構成の支持部材に取付ける
ようにしてもよい。

（本考案の効果）以上説明したように、本考案は、スケール面か
らの反射回析光を混合干渉させるハーフミラーの
取り付け部を、弾性変形可能の材料で構成すると
共に前記ハーフミラーが取付けられた支持部材
と、支点とこの支点から僅かな距離l₁を隔てて設
けられ支持部材に作用する作用点部と支点から距
離l₁より長い距離L₁だけ離れた位置に設けられた
調整ネジとを有するはりとで構成したものであ
る。

従つて、本考案によれば、ハーフミラーの設置
位置や角度（これらの位置や角度は周囲温度や湿
度の変化に対しても微妙に変化する）を調整ネジ
のピツチに比べて、より細かく容易に微調整する
ことができるようになり、光学式スケール読取装
置を実用化する上で大きく貢献している。

【図面の簡単な説明】

第１図は特願昭58−39951号で示されている装
置の構成図、第２図はハーフミラーで干渉すると
きの位相関係を示す図、第３図は入射角と受光素
子間の関係を示す図、第４図は本考案に係る装置
の構成図、第５図はミラーの取付部分の構成図、
第６図〜第８図はハーフミラーの取付部分の要部
構成図である。２１……可干渉性光源、２３……反射スケー
ル、２４，２５……ミラー、２６，２７……ハー
フミラー、２８，２９……受光素子、５１……支
持部材、５４……はり、５７，５８……調整ネ
ジ。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】可干渉光源からの可干渉光が照射される反射形
スケールと、この反射形スケールで回析された反
射回析光を混合干渉させ、出射する干渉光同士の
位相差が90°となるようにするためのハーフミラ
ーと、このハーフミラーから出射する干渉光をそ
れぞれ受光する受光素子と、この受光素子からの
信号を入力し所定の演算処理を行つて前記スケー
ルの移動量に関する信号を出力する信号処理手段
を具備した光学式スケール読取装置において、前記ハーフミラーの取り付け部を、弾性変形可能の材料で構成されると共に前記ハ
ーフミラーが取付けられた支持部材と、支点とこの支点から僅かな距離l₁を隔てて設け
られ前記支持部材に作用する作用点部と支点から
前記距離l₁より長い距離L₁だけ離れた位置に設け
られた調整ネジとを有するはりとで構成し、前記調整ネジの回転によつて前記はりを支点を
中心として傾斜させると共に、それにともなつて
生ずる作用点部の変位を支持部材に作用させ、ハ
ーフミラーの設置位置あるいは角度を微調整する
ことを特徴とする光学式スケール読取装置。