JPH0473732B2 - - 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、特に移動又は回
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移
動状態や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で挟んで対向
配置した所謂インデツクススケール方式の構成を
採っている。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。

しかしながら、この種な干渉縞を利用する方式
では、互いに干渉させる回折光の強度を等しくす
ることが干渉縞の明暗比を上げる為に必要であ
り、通常同次数同志の回折光を干渉させて検出し
ていた。一方、この干渉縞を検出する際の測定に
於る分解能は互いに干渉させる回折光の次数に比
例し、より高次の回折光を用いるほど分解能は高
くなるが、通常高次回折光ほど強度が小さくなる
為に測定の際光量不足になるという欠点を有して
いた。従つて、従来の方式では分解能は低いけれ
ども、±１次等の同次数の回折光を利用して測定
する以外に方法はなかつた。

＜発明の概要＞ 本発明の目的は、上記従来の問題点に鑑み、異
次数同志の回折光を用いても高い明暗比の干渉縞
を得ることが出来、高分解能を有するエンコーダ
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、可干渉光束を得る為の光源手段と前記
可干渉光束を異なる強度比で分割する光分割手段
と前記光分割手段で分割された複数の光束を移動
可能な回折格子に向ける第１光学手段と前記回折
格子からの出射する異なる次数の回折光を重ね合
わせる第２光学手段と前記第２光学手段で得られ
る重ね合わされた光束を受光する受光手段とを有
し、前記受光手段からの信号より前記回折格子の
移動状態を検出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
ら理解できるであろう。

＜実施例＞ 第１図は本発明に係るエンコーダーの一実施例
を示す図で、ロータリーエンコーダを示してい
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と同機能の光分割面であ
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は大略一致している。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。
尚、反射手段９，１０は通常の反射鏡でも構わな
い。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。１
３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、M₁，M₂は放射格子６上
の任意の位置を示す。

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
した平行光束は所定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
略垂直に射出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系は、反射鏡４０、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。

又、キヤツツアイ光学系の代わりにコーナキユ
ーブ等の光学素子を用いても同等の効果を得るこ
とができる。

一方、光分割面４で分割された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上に所定の位置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（｜ｎ｜＜｜ｍ｜）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、反射化鏡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を介し入射してきた回折光と重なり合わせた
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によりレーザ１から出射した
光束を所定の強度比で透過光束と反射光束に分け
ている。この強度比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
良くなる様に設定されるものであり、放射格子６
の位置M₁及びM₂で得られる−ｍ次及び＋ｎ次
（｜ｍ｜≠｜ｎ｜）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sinθ：cosθとなる。従
つて、光分割面４で分割されるＰ波及びＳ波の光
束の強度比はsin²θ：cos²θとなる為、この比を
回折格子で回折され最終的に重ね合わせるべき２
つの異なる次数の回折光の強度比が等しくなる様
に予め設定しておけば、等しい振幅を有する光束
同志で干渉縞を形成出来、高い明暗比が得られ
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に対し所定に角度θ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光
量比を所望の値に出来る。従つて、第１図の装置
に於て、放射格子６の位置M₁及びM₂で回折され
る−ｍ次及び＋ｎ次の回折光の強度が、ａ：ｂで
あるとすれば、M₁及びM₂により再回折された後
の夫々の回折光の強度はa²：b²という比になる
為、光分割面４で分割されるM₁及びM₂に夫々指
向される反射光束と透過光束との強度比がb²：a²
となる様にレーザ１から出射する光束の偏波面を
決めておけば、M₁及びM₂から出射して再度光分
割面４へ達し、ここで重ね合わされる２光束、即
ち−ｍ次及び＋ｎ次の回折光の強度比は等しく、
受光手段１５，１７で検出される干渉縞の明暗比
も最大となる。

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−３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８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
格子の１ピツチの1/8の3.2/8＝0.4μmが得られ
る。

従つて、従来の方式と同一出力の光源で、略同
一の構成を用いるにも係わらず、受光手段で高い
明暗比を持つ干渉縞を検出して高分解能の測定を
行なうことが可能となる。例えば従来の如く±１
次の同次数の回折光同志を干渉させる場合に比べ
て上記実施例では２倍の分解能が得られることに
なる。

本実施例では光分割器１３により光束を２分割
し各々の光束間に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器
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
心による測定誤差を軽減させている。

尚、本実施例に於る構成は略点対称な２点から
の回折光を利用しているわけであるが、略点対称
に限らず複数の位置からの回折光を用いることに
より略同等の効果を得ることが出来る。例えば、
互いに120°の角度を成す３点からの回折光を利用
したり、近接しない任意の２点からの回折光を利
用するのも有効である。

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ー特有
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両
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、本考案例に於ては、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の位置と反対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異
なる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。当然、光源もレーザに限られる事はな
く、波長幅があつても可干渉性を有する光を出射
するものであれば良い。

又、第１図の構成では、所定の光分割面に対し
て、レーザから出射する光束の偏光方位が所望の
角度θ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即
知の光束の偏光方位を鑑みて決め、光学部品を構
成しても良い。更に、レーザと光分割面との間に
光路中に偏光面回転素子又は偏光子等を配し、レ
ーザから出射する光束の偏光方位を光分割面の直
交偏波面に対して所望の角度となる様に制御する
ことも出来る。更に、光束の偏光方位を利用する
だけでなく、光分割面に所定の膜構成の反射膜を
施し、任意の強度比で光分割が出来る様に構成し
ても良い。

上記実施例では、回転物体に取付けた放射格子
上の異なる位置で再回折し出射した異次数回折光
同志を重ね合わせて干渉縞を得ているが、夫々の
放射格子上の位置で再回折させることなく、即ち
反射手段を用いて再度放射格子に入射させずに
夫々の回折光を直接重ね合わせて干渉縞を得る方
式であつても本発明は適用可能である。この時、
光分割面で分割される反射光束と透過光束の光量
比は、夫々の光束により生じせしめられ、重ね合
わされるｍ次及びｎ次の回折光の強度をａ：ｂと
すれば、ｂ：ａとなる様に構成される。

更に本発明が適用可能なエンコーダーを列挙す
れば、例えば、回折格子上のある点に２光束を入
射せしめ、回折格子により回折された夫々の光束
の回折光を互いに重ね合わせて干渉縞を得る方式
や、この方式で上記実施例同様に回折格子から出
射した回折光を反射手段により再度回折格子に入
射せしめ再回折した光束同志を重ね合わせて干渉
縞を得る方式等が有り、言うまでもなくロータリ
ーエンコーダー、リニアエンコーダーに限定され
ることはない。又、本発明が、放射格子の偏心を
考慮し一般に複数位置からの回折光を利用して干
渉縞を得るロータリーエンコーダーに対して特に
有効であることも上記実施例から明らかである。

尚、本発明において使用する回折格子は、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ーダーが適用
出来る。特に反射回折光を利用する方式は回折光
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は、異なる次数
の回折光同志を重ね合わせて高い明暗比の干渉縞
を得、且つ高分解能の測定を行なう事が出来る装
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)

【特許請求の範囲】
1. １ 可干渉光束を得る為の光源手段と前記可干渉
   光束を異なる振幅比で分割する光分割手段と前記
   光分割手段で分割された複数の光束を移動可能な
   回折格子に向ける第１光学手段と前記回折格子か
   ら出射する異なる次数の回折光を重ね合わせる第
   ２光学手段と前記第２光学手段で得られる重ね合
   わされた光束を受光する受光手段とを有し、前記
   受光手段からの信号より前記回折格子の移動状態
   を検出するエンコーダー。