JPS62200219A - エンコ−ダ− - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 く技術分野〉 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ＮＧ工作機械や半導体焼付装置等の精密機械におい
てはｌＪｉ、ｍ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、フロッピーデスクの駆動等のコンピューター機器
、プリンター等の事務機器、あるいはＮＧ工作機械さら
にはＶＴＲのキャ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ックススケール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
で対抗配置した所謂インデッ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って
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析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
があった。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
ってくる等の欠点があった。

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りエアエ
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。

この種の干渉縞を利用するエンコーダの構成の１つにレ
ーザー等の光源から出射する可干渉光束を分解して複数
の光束を回折格子の同一位置に入射させたり、又は、回
折格子の異なる位置に入射させたりし、夫々同一位置か
ら出射する回折光同志の重ね合わせや、又は、異なる位
置から出射する回折光同志の重ね合わせにより干渉縞を
得る方法がある。この場合、従来の方式では、装置の小
型化の為に半導体レーザーを用い、半導体レーザーから
出射した直線偏光したレーザー光を１／４波長板により
円偏光として偏光ビームスプッターに入射させ、Ｐ偏光
及び偏光の互いに強度が等しい光束に分割し利用してい
た。

しかしながら、装置の小型化と共に、部品数を減らしコ
ストを下げることはこの種の装置に限らず種々の装置に
求められることであり、その意味では単に光束を分割す
る目的だけの為に、１／４波長板の如き特殊な光学部品
を使用することは好ましくなかった。

〈発明の概要〉 本発明の目的は、上記従来の問題点に鑑み、小型化、低
価格化が更に要求されるエンコーダーに於いて、１／４
波長板等の特殊な光学部品を用いずに光束の分割が可能
な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
、光源手段と該光源手段で得られる所定の方向に偏光し
た可干渉光束を分割する光分割手段と該光分割手段で分
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
光学手段と該回折格子から出射する複数の回折光を重ね
合わせる第２光学手段と該第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、該受光手
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
ンコーダーであって、前記光分割手段に偏光ビームスプ
リッタ−を用い、該偏光ビームスプリッタ−の直交偏波
面に対し前記可干渉光束の偏光方向が４５°の角度を成
す様に前記光源手段を配したことを特徴とする。

尚、本発明の更なる特徴は以下に示す実施例から理解出
来るであろう。

〈実施例〉 第１図は本発明に係るエンコーダーの実施例を示す図で
、ロータリーエンコーダーを示している。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
り合わせもて成る光学部品、４は光学部品３の貼り合わ
せ面で、偏光ビームスプリッタ−と同機能の光分割であ
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Ｏ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に入射用する光
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、キャラ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１７
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。１３は光分割器、１４及び１
６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、Ｏは放射格子６の中心を、Ｍｌ、Ｍ２は
放射格子６上の任意の点を示す。

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によっ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１：１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ｌ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ＭＭ１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から略垂直に放射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
−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板長板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ャッツアイ光学
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、キャッツアイ光学系に第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
ォックマイクロレンズ（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、キャッツアイ光学系の代わりにコーナキューブ等の
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上の所定の位置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−位置Ｍ２へ再
入射する。従って、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１５１７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により何ら特殊な光学素子を用いることなく
レーザ１から出射した光束を同一の光量比で透過光束と
反射光束とに分けている。同一の光量比にするのは前記
の干渉縞強度を検出する際に最も干渉縞の明暗比（ビジ
ビリティ−）が良くなる様にする為のものであり、放射
格子６の位置Ｍ１及びＭ２で得られる特定次数の回折光
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ッタ−に置換して図示している。

又、図中の２種類の矢印り、Ａは光束の進行方向りと偏
光方位Ａを示している。

一般に偏光ビームスプリッタ−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っている。従って、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：ＣＯ５
θとなる。従って、光源から出射する出射光束の偏光方
位が光分割面４の直交偏波面に対し、４５°の角度を成
す様に設置すれば、光分割面４により分割されるＰ波成
分とＳ波成分、即ち透過光束と反射光束の振幅比は５ｉ
ｎ４５°　：Ｃｏ５４５°＝ｌ：１と成り、結局同一強
度で分割されることになる。

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に対し所定の角度４５゜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
束との強度比を１：１に出来る。

従って、この種の測定装置に要求される小型化や光学部
品数を減らすことによるコストの減少、及び組立、光学
精度の調整等に対して大きく寄与する。

本実施例において被測定回転物体が放射格子６の１ピッ
チ分だけ回転するとｍ次の回折光の位相は２ｎπ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ッチが３．２ｇｍ、Ｍｌ及びＭ２か
ら得られる回折光として１次及び−１次を利用したとす
れば回転物体がピッチの３．２１Ｌｍ分だけ回転したと
き受光素子からは４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ｌピッチの１／４
の３、２７４　＝　０．８　ＪＬｍが得られる。

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Ｍ
ｌ、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
ーエンコーダ特有の放射格子の外側と内側のピッチの違
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１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
光ビームスプリッタ−と内面反射型のプリズムの量機能
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
体の小型化を図っている。

又、本実施例に於いては、異なる次数の回折光を反射格
子６上の位置Ｍｌ、Ｍ２から得る為に、反射鏡５及び７
の位置と反射面の光束に対する傾きを工夫している。こ
こではＭｌ及びＭ２に於い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Ｍｌ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
る所定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
幅があっ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
ザから放射する光束の偏光方位が所定の所望の角度４５
°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、即ち４５°にして光学部品を構成して
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
縞を得る方式であっても本発明は適用可能である。

更に本発明が適用可能なエンコーダーを列挙す墾れば、
例えば回折格子上の複数の位置に光束を入射させ、夫々
の位置から出射する回折光を独立に干渉させ、複数の干
渉縞を得る方式や、回折格子上のある点に２光束を入射
せしめ１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’ＩＪ−エンコーター、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、本発明に於いては反射回折光を
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
ーの用途によっては装置構成上のメリットが生じる。

〈発明の効果〉 以上、本発明に係るエンコーダーは、装置の部品数が少
なくて済み、これにより特にコストの減少に対する寄与
が大なるエンコーダーであり、簡便な手法により所望の
光分割を成し得る装置である。

【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・・
・・・・キャッツアイ光学系１３・・・・・・光分割器 １４．１６・・・・・・偏光板

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）光源手段と該光源手段で得られる所定の方向に偏
   光した可干渉光束を分割する光分割手段と該光分割手段
   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光学手段と該回折格子から出射する複数の回折光の
   重ね合わせる第２光学手段と該第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、該受
   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
   るエンコーダーであって、前記光分割手段に偏光ビーム
   スプリッターを用い、該偏光ビームスプリッターの直交
   偏波面に対し前記可干渉光束の偏光方向が４５°の角度
   を成す様に前記光源手段を配したエンコーダー。