JPH09329464A

JPH09329464A - 光電式エンコーダ

Info

Publication number: JPH09329464A
Application number: JP15054996A
Authority: JP
Inventors: Toru Yaku; 亨夜久
Original assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Current assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Priority date: 1996-06-12
Filing date: 1996-06-12
Publication date: 1997-12-22

Abstract

(57)【要約】【課題】光電式エンコーダにおいて、光学系の組立を
容易化する。【解決手段】レーザダイオード１０からの光はコリメ
ータレンズ１２で平行光にされ、回折格子を有するホロ
グラムスケール１８に入射する。ホログラムスケール１
８の裏面には全反射膜１９が形成され、入射光を全反射
させる。ガラス板１１上には偏光ビームスプリッタ１４
及び５０／５０ビームスプリッタ２０が配置され、回折
による進相光と遅相光の干渉を受光素子２４で受光す
る。反射式で干渉光を受光するので光学部品を削減で
き、また、透過式のようにホログラムスケール１８を浮
かす必要がないので取り付けの自由度が増す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光電式エンコーダ、
特に回折現象を利用したスケールを用いたエンコーダに
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、格子ピッチが細かいホログラ
ムスケールを利用したエンコーダが知られている（例え
ば、特公昭５５−３１８８２号公報）。

【０００３】図８には、ホログラムスケール利用のエン
コーダの基本的な検出光学系の構成が示されている。図
において、レーザダイオード１０から発した波長λの光
は、コリメータレンズ１２によって平行光に整えられた
後、偏光ビームスプリッタ１４に入射する。偏光ビーム
スプリッタ１４で２分岐された光は、ミラー１６で反射
され、それぞれ入射角θでホログラムスケール１８に入
射する。ホログラムスケール１８上で回折した２本の光
はミラー１６で反射された後ビームスプリッタ２０で合
成され、偏光板２２上で干渉する。また、一方の偏光板
２２の前には４分の１波長板２１が挿入されているた
め、他方と比べて９０度位相がずれた信号が得られる。
そして、偏光板２２で干渉した光は受光素子２４に入射
する。

【０００４】図９には、ホログラムスケール１８上の回
折格子における回折現象が模式的に示されている。可干
渉性光（レーザ光や狭い範囲におけるＬＥＤ光）におい
て、光の位相が揃っていて進行方向に対して垂直な面を
波面というが、回折格子の透過部で回折した光と透過
部で回折した光の波面が揃うためには、その光路差が
光の波長λ（厳密には波長の整数倍）であればよい。波
面が揃ったとき、その方向へ回折していく。ここで、入
射角と回折角が同じである場合を想定すると、

【数１】であるので、

【数２】を満たす場合に、入射角θで入射した光は回折角で回折
していく（ブラッグ回折）。

【０００５】そして、このような回折が生じている場合
には、格子位置により回折光の位相を変化させることが
できる。

【０００６】図１０には、回折格子がその格子ピッチの
半分Ｐ／２だけ移動した時の様子が示されている。図に
おいては、入射光が左下から入射し、回折光が左上へ進
む場合を示している。回折格子が図中矢印に示すように
Ｘ軸方向へＰ／２だけ動いた場合、その分だけ回折光の
回折点が回折進行方向に対して遠くなる。回折光が上記
（２）式の条件を満たしている場合には、Ｐ／２だけ遠
ざかると光の位相ではλ／２だけ遅れることになる。図
の例では、左下から入射光が入射し、回折光が左上に抜
けて格子がＸ軸方向に動いて位相が遅れる状態を示して
いるが、逆に右下から入射して右上に光が抜けて格子が
Ｘ軸方向に動いた場合には位相が進むことになる。

【０００７】入射光を、

【数３】（ここで、Ｅ_inは入射光電界強度、ω_cは光の角周波
数）として格子の移動距離をｘとすると、回折光に与え
られる位相差φと回折光ｄ（ｔ、ｘ）は次のようにな
る。

【０００８】

【数４】従って、

【数５】（ここで、Ｅ_dは回折光電界強度）となり、左下から左
上に進む場合には、

【数６】（位相遅れ）となり、右下から右上に進む場合には、

【数７】（位相進み）となる。

【０００９】図１１には、図８において発光側にある偏
光ビームスプリッタ１４による分岐の様子が示されてい
る。図において、左右の光路を直線偏光の向きによって
区別しており、左光路をＰ偏光、右光路をＳ偏光として
いる。従って、ホログラムスケール１８上において回折
するときには、＋φ位相差（進相）回折光＝Ｓ偏光、−
φ位相差（遅相）回折光＝Ｐ偏光となる。

【００１０】図１２には、ホログラムスケール１８を回
折した後の合成の様子が示されている。Ｓ偏光とＰ偏光
はミラー１６で反射された後５０／５０ビームスプリッ
タ２０により合成され、ビームスプリッタ２０には偏光
特性はないので、２つの出力にはＳ偏光とＰ偏光が等分
に振り分けられることになる。ここで、２つの光の干渉
を観測する際に、Ｓ偏光とＰ偏光は電界ベクトルの変化
方向が互いに９０度異なっているため、光軸を合わせた
だけでは干渉は生じない。

【００１１】そこで、図１３に示すように、その透過軸
がＳ偏光とＰ偏光の中間（４５度）になるように偏光板
２２を光路上に配置している。偏光板２２の透過軸は、
Ｓ偏光・Ｐ偏光双方に対して４５度で傾いているため、
双方とも完全な透過ができず、偏光板２２上において散
乱する。Ｓ偏光（＋φ位相差回折光）とＰ偏光（−φ位
相差回折光）ともに同じ光量だけ偏光板２２上で散乱し
互いに干渉するので、それを受光素子２４で受光すれば
回折格子ピッチの半分Ｐ／２周期で変化する信号が得ら
れることになる。

【００１２】偏光板２２上で生じる干渉をｉ（ｔ、ｘ）
とすると、

【数８】ここで、αは散乱減衰係数である。干渉光の強度ｉ
（ｔ、ｘ）²を求めると、

【数９】通常のフォトセンサで干渉光を検出するとすれば、高周
波成分２ωc を除去した成分を検出する。干渉光の散乱
効率やフォトセンサの受光感度等を係数Ｋとすると、検
出出力Ｖ0 は、

【数１０】従って、干渉光の検出出力Ｖ0 は、格子ピッチ半分であ
るＰ／２の周期で変化する。

【００１３】以上のように、左右の回折光を干渉させる
ことにより、その位相差の変化方向の違いを利用して回
折格子のピッチの半分の周期の信号を得ることができ
る。

【００１４】また、９０度位相差信号を得るために、図
８及び図１２では右側の光路上であってビームスプリッ
タ２０と偏光板２２との間に４分の１波長板２１を挿入
してある。４分の１波長板２１は、直交した２つの軸で
光速度が異なる光学素子で、光速度の差による位相ずれ
は波長板を通過した後でちょうど波長の４分の１に相当
する。

【００１５】図１４には、Ｓ偏光とＰ偏光が４分の１波
長板２１を通過する様子が示されている。４分の１波長
板２１を通過することにより、Ｐ偏光（−φ位相差回折
光）に対してＳ偏光（＋φ位相差回折光）が４分の１波
長分（π／２）遅れる。

【００１６】（６）式及び（７）式に４分の１波長分ず
れていることを加味すると、

【数１１】

【数１２】偏光板で生じる干渉をｉ´（ｔ、ｘ）とすると、

【数１３】干渉光の強度ｉ´（ｔ、ｘ）²を求めると、

【数１４】となる。通常のフォトセンサで検出するとすると、高周
波成分２ωc を除去した成分を検出することになる。干
渉光の散乱効率やフォトセンサの受光感度等を係数Ｋと
すると、検出出力Ｖ0 ´は、

【数１５】となる。干渉光の検出出力Ｖ0 ´は、格子ピッチの半分
であるＰ／２の周期で変化していると同時に、（１０）
式のＶ0 に対して２π／４すなわち９０度の位相差を有
していることがわかる。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うなホログラムスケールの検出方法には次のような問題
がある。すなわち、左右の入射光と回折光の光路長を一
致（またはノミナルな光路長差が波長の整数倍）させる
必要があるので、偏光ビームスプリッタ１４と４つのミ
ラー１６及び５０／５０ビームスプリッタ２０の３次元
配置に高い精度が必要になる。光の位相の干渉現象を利
用するため、使用する光の波長にもよるがμｍオーダの
精度が要求されることになり、光学系の組立が極めて困
難となる問題がある。

【００１８】本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑
みなされたものであり、その目的は、光学部品を削減
し、かつ光学系の組立を容易に行うことができる光電式
エンコーダを提供することにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、第１の発明は、回折格子スケールに光を照射し、そ
の回折光の干渉により回折格子ピッチに応じた周期の信
号を得る光電式エンコーダにおいて、前記回折格子スケ
ールに入射光を反射する反射手段を設け、反射光の干渉
により信号を得ることを特徴とする。

【００２０】また、第２の発明は、第１の発明におい
て、前記反射手段が前記回折格子スケールの非格子面側
に形成された全反射膜であることを特徴とする。

【００２１】また、第３の発明は、第２の発明におい
て、前記回折格子スケールの格子面側に発光手段及び受
光手段を配置することを特徴とする。

【００２２】また、第４の発明は、第３の発明におい
て、前記発光手段及び受光手段と前記回折格子スケール
との間にビームスプリッタを配置することを特徴とす
る。

【００２３】また、第５の発明は、第４の発明におい
て、前記ビームスプリッタは、前記発光手段及び受光手
段と前記回折格子スケールとの間に配置されたガラス平
板上に配置されることを特徴とする。

【００２４】また、第６の発明は、第３の発明におい
て、前記発光手段及び受光手段と前記回折格子スケール
との間に第２の回折格子を配置することを特徴とする。

【００２５】また、第７の発明は、第６の発明におい
て、前記第２の回折格子は、前記回折格子スケールの格
子ピッチと同一のピッチを有することを特徴とする。

【００２６】また、第８の発明は、第６の発明におい
て、前記第２の回折格子は、前記回折格子スケールの格
子ピッチの２倍のピッチを有することを特徴とする。

【００２７】また、第９の発明は、第７の発明または第
８の発明において、前記第２の回折格子は、所定の光路
長差を生じるように局所的に他の部分と異なるピッチで
形成されていることを特徴とする。

【００２８】また、第１０の発明は、第５の発明または
第６の発明において、所定の光路長差を生じる透明薄膜
が前記ガラス平板上に形成されることを特徴とする。

【００２９】このように、本発明においては、回折格子
スケールの裏面、すなわち非格子面に反射手段を設け、
反射式で干渉光を観測するので、光学部品を削減できる
とともに、透過式のようにスケールを「浮かす」必要が
ないので取り付けの自由度が増して組立を容易に行うこ
とができる。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づき本発明の実施
形態について、ホログラムスケールを例にとり説明す
る。

【００３１】＜第１実施形態＞図１には、本実施形態の
ホログラムスケール利用のエンコーダの構成が示されて
いる。本実施形態の特徴は、従来では４つあったミラー
１６を全て除去し、偏光ビームスプリッタ１４、５０／
５０ビームスプリッタ２０を一つのガラス板１１上に配
置し、かつ、ホログラムスケール１８の非格子面である
裏面に全反射膜１９を設けた点である。偏光ビームスプ
リッタ１４等の光学部品をガラス板１１という平面上に
配置するため、組立を容易に行うことが可能である。ま
た、いわゆる反射式で干渉光を生じるため、発光部であ
るレーザダイオード１０及び受光部である受光素子２４
はホログラムスケール１８に対して格子面側に配置され
ている。

【００３２】図２には、図１から光路のみを取り出した
ものが示されている。本実施形態の回折光の光路には２
組ある。図２（Ａ）はレーザダイオード１０の右側の光
路であり、図２（Ｂ）はレーザダイオード１０の左側の
光路である。図２（Ａ）においては、レーザダイオード
１０からの光はガラス板１１上の偏光ビームスプリッタ
１４で２分岐され、一方はホログラムスケール１８の裏
面に形成された全反射膜１９で全反射されて格子で回折
し、φだけおくれて（−φ）５０／５０ビームスプリッ
タ２０に入射する。他方は格子で回折してφだけ進み
（＋φ）、その後全反射膜１９で全反射されて５０／５
０ビームスプリッタ２０に入射する。また、図２（Ｂ）
においては、レーザダイオード１０からの光は偏光ビー
ムスプリッタ１４で２分岐され、一方は格子で回折して
φだけ遅れ（−φ）、全反射膜１９で反射されて５０／
５０ビームスプリッタ２０に入射する。他方は全反射膜
１９で全反射された後格子で回折してφだけ進み（＋
φ）、５０／５０ビームスプリッタ２０に入射する。ど
ちらの場合においても、＋φ位相差回折光と−φ位相差
回折光は、光学部品を載せたガラス板１１とホログラム
スケール１８との間を往復しているので本質的に双方の
光路長は同一となる。このため、ガラス板１１上に光学
部品を載せる単純な方法であるにも関わらず、格子ピッ
チの半分Ｐ／２の周期の信号を従来と同様に容易に得る
ことができる。

【００３３】このように、本実施形態のエンコーダで
は、発光部及び受光部をホログラムスケール１８の一方
の面側に集中配置できる。従来のエンコーダでは、図８
に示すように透過式であるためにホログラムスケール１
８を浮かしておく必要があり、そのために取り付けの自
由度が制限されていたが、本実施形態のエンコーダは反
射式となるため、例えば研削平面上にホログラムスケー
ル１８をベタ付けする等、取り付けの自由度が増すこと
になる。

【００３４】さらに、ミラーの削減及び平面上への光学
部品の配置により、光源と受光素子までの距離を短くす
ることができる。従って、従来のエンコーダの構成では
光源にレーザダイオードを使用しているが、これをより
安価なＬＥＤ（平行光）に置き換えることも可能とな
る。

【００３５】＜第２実施形態＞上述した第１実施形態の
構成では、ビームスプリッタ等の光学部品をガラス板１
１上に載せなければならない手間がある。そこで、本実
施形態では、さらなる組立の容易化を図るべく、ビーム
スプリッタ等の光学部品の配置が平面的になったことを
利用してそれらを回折格子に置き換える場合を示す。

【００３６】図３には、本実施形態のエンコーダの構成
が示されており、第１実施形態と異なる点は、ガラス板
上の偏光ビームスプリッタ１４と５０／５０ビームスプ
リッタ２０をホログラムスケール１８と同一の格子ピッ
チＰを有する回折格子に置き換えた点である。なお、こ
の回折格子をホログラムスケールと区別するために、便
宜上インデックススケール３０と称する。

【００３７】従来技術では、Ｓ偏光とＰ偏光により左右
の位相差回折光を区別しているが、図３では図１と同様
に光路によって区別している。すなわち、レーザダイオ
ード１０から発した光はインデックススケール３０上の
回折格子で回折されるが、そのうち左側に進む光が＋φ
位相差回折光（進相）となり、右側が−φ位相差回折光
（遅相）となる。また、従来技術では９０度位相差を作
るために４分の１波長板２１を使用しているが、本実施
形態では＋φ位相差回折光の光路上に屈折率ｎの透明薄
膜３２を配置して波長板と同一の機能を達成している。
＋φ位相差回折光は屈折率ｎの透明薄膜３２を通過する
ので、−φ位相差回折光と比べて遅れることになる。従
って、膜厚ｔを適当に選ぶことでちょうど４分の１波長
の位相差を作ることができる。

【００３８】図４には、透明薄膜３２の拡大図が示され
ており、図において

【数１６】

【数１７】であるから、

【数１８】となる。例えば、光の波長λ＝６３０ｎｍ、回折格子ピ
ッチＰ＝０．５μｍ、回折角θ＝３９．０５度、透明薄
膜の材料をＳｉＯ₂として屈折率を１．５とすれば、膜
厚ｔは約２４４ｎｍとなる。なお、この透明薄膜３２は
フォトリソグラフィー技術により製膜することができ
る。

【００３９】このように、本実施形態では、ミラー、偏
光ビームスプリッタ、５０／５０ビームスプリッタ及び
４分の１波長板を全て除去し、これらをガラス板上に形
成することにより、一層の組立の容易化を図ることがで
きる。

【００４０】また、図３では受光素子２４を４つ配置し
ているが、インデックススケール３０の回折格子と受光
素子２４の距離が短い場合には、図５に示すように受光
素子２４を２つに削減することも可能である。この場
合、それぞれの受光素子２４で＋φ位相差光と−φ位相
差光をともに受光することになる。

【００４１】＜第３実施形態＞図６には、第２実施形態
においてインデックススケール３０の回折格子のピッチ
をホログラムスケール１８のピッチの２倍（＝２Ｐ）と
した場合の構成が示されている。インデッスクスケール
３０の回折格子ピッチが２Ｐであるため、垂直に入射す
る光は回折光θで回折する。また、入射角θで斜めに入
射する光は垂直に回折する。また、９０度位相差は第２
実施形態で示したように４分の１光路長差の透明薄膜３
２でも実現できるが、本実施形態では右側受光素子２４
の回折格子パターン（図中アで示された部分）を左側よ
りも２Ｐ／４だけずらす配置にすることで、左側との光
路長差をλ／４としている。

【００４２】＜第４実施形態＞使用する光の波長λがλ
＝Ｐｓｉｎθの条件を満足するような短い波長である場
合、図７に示すような構成も可能である。インデックス
スケール３０の回折格子は第２実施形態と同様にホログ
ラムスケール１８のピッチと同一のＰである。波長が短
い場合には、回折現象は垂直光路と回折角θの斜め光路
との間で生じる。この場合も、ホログラムスケール１８
上の回折格子の移動により回折光に与えられる位相差変
化は上述の各実施形態と同様である。なお、本実施形態
でも、９０度位相差を生じるために右側受光素子２４の
回折格子パターン（図中イで示された部分）を左側より
もＰ／４だけずらす配置にしている。

【００４３】以上、本発明の各実施形態について説明し
たが、本発明はホログラムスケールを用いた場合のみな
らず、通常のＣｒパターンスケールを用いた場合にも適
用可能であることは言うまでもない。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
光電式エンコーダの光学部品を削減でき、かつ、それら
の組立も容易となる。

【００４５】また、本発明の光電式エンコーダは、いわ
ゆる反射式であるのでスケールの取り付け自由度が向上
する効果もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態の構成図である。

【図２】同実施形態の光路説明図である。

【図３】本発明の第２実施形態の構成図である。

【図４】同実施形態の透明薄膜の説明図である。

【図５】同実施形態の他の構成図である。

【図６】本発明の第３実施形態の構成図である。

【図７】本発明の第４実施形態の構成図である。

【図８】従来のエンコーダの構成図である。

【図９】回折現象の説明図である。

【図１０】回折格子を移動させた時の波面の遅れを示
す説明図である。

【図１１】偏光ビームスプリッタ通過後の光を示す説
明図である。

【図１２】回折後の光を示す説明図である。

【図１３】偏光板の配置を示す説明図である。

【図１４】４分の１波長板の機能説明図である。

【符号の説明】

１０レーザダイオード、１２コリメータレンズ、１
４偏光ビームスプリッタ、１６ミラー、１８ホロ
グラムスケール、２０５０／５０ビームスプリッタ、
２１４分の１波長板、２２偏光板、２４受光素
子、３０インデックススケール、３２透明薄膜。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回折格子スケールに光を照射し、その回
折光の干渉により回折格子ピッチに応じた周期の信号を
得る光電式エンコーダにおいて、前記回折格子スケールに入射光を反射する反射手段を設
け、反射光の干渉により信号を得ることを特徴とする光電式
エンコーダ。
【請求項２】前記反射手段は、前記回折格子スケール
の非格子面側に形成された全反射膜であることを特徴と
する請求項１記載の光電式エンコーダ。
【請求項３】前記回折格子スケールの格子面側に発光
手段及び受光手段を配置することを特徴とする請求項２
記載の光電式エンコーダ。
【請求項４】前記発光手段及び受光手段と前記回折格
子スケールとの間にビームスプリッタを配置することを
特徴とする請求項３記載の光電式エンコーダ。
【請求項５】前記ビームスプリッタは、前記発光手段
及び受光手段と前記回折格子スケールとの間に配置され
たガラス平板上に配置されることを特徴とする請求項４
記載の光電式エンコーダ。
【請求項６】前記発光手段及び受光手段と前記回折格
子スケールとの間に第２の回折格子を配置することを特
徴とする請求項３記載の光電式エンコーダ。
【請求項７】前記第２の回折格子は、前記回折格子ス
ケールの格子ピッチと同一のピッチを有することを特徴
とする請求項６記載の光電式エンコーダ。
【請求項８】前記第２の回折格子は、前記回折格子ス
ケールの格子ピッチの２倍のピッチを有することを特徴
とする請求項６記載の光電式エンコーダ。
【請求項９】前記第２の回折格子は、所定の光路長差
を生じるように局所的に他の部分と異なるピッチで形成
されていることを特徴とする請求項７または請求項８記
載の光電式エンコーダ。
【請求項１０】所定の光路長差を生じる透明薄膜が前
記ガラス平板上に形成されることを特徴とする請求項５
または請求項６記載の光電式エンコーダ。