JP2683117B2

JP2683117B2 - エンコーダー

Info

Publication number: JP2683117B2
Application number: JP1285896A
Authority: JP
Inventors: 公石塚; 哲治西村
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1989-10-31
Filing date: 1989-10-31
Publication date: 1997-11-26
Anticipated expiration: 2012-11-26
Also published as: US5126562A; EP0426125B1; DE69029644T2; EP0426125A2; DE69029644D1; JPH03146822A; EP0426125A3

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、回折格子と回折
格子に入射する光束の相対的な変位を、回折格子から射
出するいくつかの回折光同志を干渉させて形成した干渉
光を光電変換することにより検出するエンコーダーに関
する。

〔従来技術〕

従来より、NC工作機械等で、被検物体の位置や角度変
位を検出するセンサーとしてエンコーダーが使用されて
いる。そして、近年この種のエンコーダーに対して高分
解能化と高精度化が益々要求されてきている。

変位検出用の光学式スケールとして回折格子を用い、
回折格子の記録密度を数ミクロン／ピツチにし、回折格
子から射出するいくつかの回折光を互いに干渉させるこ
とでスケールの変位に応じた周期信号を得る方式が高分
解能、高精度なエンコーダーが既に知られているが、更
なる高精度化、高分解能化のために回折格子の記録密度
を波長オーダー程度に上げると、回折光の回折角度（回
折格子からの射出角）が大きくなり、光学部品の配置が
面倒になるという問題点が発生する。

例えば、第６図に示す従来のエンコーダーは以下のよ
うな動作によってスケールの変位に応じた信号を発生さ
せている。

レーザーダイオード１からの光束をコリメータレンズ
２で平行光束にして回折格子５上の点P1に垂直に入射さ
せ、点P1から射出した＋１次反射回折光（R1＋）をミラ
ー６を介してビームスプリツター４まで戻すと同時に点
P1から射出した−１次反射回折光（R1−）をミラー62を
介してビームスプリツター４まで戻し、ビームスプリツ
ター４を介して±１反射回折光を重ねあわせて干渉させ
る。回折格子５が格子１ピツチ分だけ移動するあいだに
＋１次回折光の波面の位相が『２π進み』、−１次回折
光の波面の位相が『２π遅れる』という原理によって、
２光束を干渉させて形成した干渉光で格子１ピツチの移
動に応じて２周期の明暗変化が観測される。即ち回折格
子５の格子本数の２倍の周期信号が取り出せる。

しかしながら、前述したように、回折格子５の記録密
度（ピツチ）が細かくなるほど回折光の回折角が大きく
なるので、回折格子５から射出する回折光の射出角が90
゜近くなる。従って、回折格子５に接触しないようにミ
ラー61、62を回折格子５の近傍に設置しなければなら
ず、このような設置は極めて面倒である。更に、回折格
子５の格子ピツチをレーザーダイオード１からの光束の
波長以下にすると、回折光が取り出せなけなり、回折格
子５の変化を検出することすら不可能になる。

本件出願人は、この様な問題を解消し、回折格子のピ
ツチが細かくなっても容易に回折光を取り出せるエンコ
ーダーを、特願平１−120046号で開示した。

〔発明の概要〕

本発明は、上記先願のエンコーダーの改良に関するも
のであり、その目的は、干渉光を光電変換することによ
り得られる信号の振幅や位相を安定させることにある。

この目的を達成するために、本発明のエンコーダー
は、光源からの光束を分割して光束R1と光束R2とを形成
する第１偏光ビームスプリツターと上記光束R1の光路L1
及び上記光束R2の光路L2に設けた第１λ/4板とを備え、
回折格子上記光束R1を回折させて生じる正の第１回折光
が上記光路L1に沿って進み、上記回折格子で光束R2を回
折させて生じる負の第２回折光が上記光路L2に沿って進
むように上記光束R1と光束R2を上記回折格子に入射させ
ると共に上記第１及び第２回折光を上記第１偏光ビーム
スプリツターを介して重畳せしめる第１光学手段と、上
記第１光学手段からの上記第１及び第２回折光を互いに
分離せしめる第２偏光ビームスプリツターと第２偏光ビ
ームスプリツターからの上記第１回折光の光路L3及び第
２回折光の光路L4に設けた第２λ/4板とを備え、上記回
折格子で上記第１回折光を回折させて生じる正の第１再
回折光が上記光路L3に沿って進み、上記回折格子で上記
第２回折光を回折させて生じる負の第２再回折光が上記
光路L4に沿って進むように上記第１及び第２回折光を上
記回折格子に入射させると共に上記第１及び第２再回折
光を上記第２偏光ビームスプリツターを介して重畳せし
める第２光学手段と、上記第２光学手段からの上記第１
及び第２再回折光を互いに干渉させて形成した干渉光を
電気信号に変換する変換手段とを有し、上記光路L1及び
L4を介して上記変換手段に入射する光と上記光路L2及び
L4を介して上記変換手段に入射する光の光路長差と、上
記光路L1及びL3を介して上記変換手段に入射する光と上
記光路L2及びL3を介して上記変換手段に入射する光の光
路長差を、上記光源からの光束の可干渉距離より大きく
したことを特徴としている。

〔実施例〕

本発明の実施例を説明する前に、上記特願平１−1200
46号で開示したロータリーエンコーダについて述べ、本
発明の課題を示す。

第１図は、この先願のロータリーエンコーダーを示す
斜視図である。

同図において、１はレーザーダイオードから成る光
源、２はコリメーターレンズ、31,32はプリズム、41,42
はプリズム31,32中の偏光ビームスプリツター面、５は
回転デイスク板（回折格子）、63,64,65,66はミラー、7
1,72,73は1/4波長板、８は1/2波長板、９は非偏光ビー
ムスプリツター、10,11は偏光素子（例えば偏光板や偏
光プリズム）、S1,S2は受光素子である。

光源１から射出した波長λのレーザー光束をコリメー
タレンズ２によって平行光束にし、この平行光束をプリ
ズム31に入射させてプリズム31の所定箇所に設けたミラ
ー面や偏光ビームスプリツター面41によって対称な光路
L1,L2に沿って進む２光束R1,R2に分割し、各々の光束R
1,R2をミラー63で反射せしめて1/4波長板71を通過させ
てから回転デイスク板５上に設けた格子ピツチＰの放射
状回折格子の第１の点（P1）に同時に入射させる。ここ
で、回折格子で回折して点P1から射出する複数の回折光
のうち光束R1の＋１次反射回折光と光束R2の−１次反射
回折光が各々元の光路L1,L2を逆進する方向に出射する
ように、あらかじめ光束R1,R2の入射角θ_０をθ_０＝sin
^-1（λ/2P）に設定しておく。また光束R1とR2は、偏光
ビームスプリツター面41で分割された時点で偏光面が互
いに直交した直線偏光になっているが、1/4波長板71を
往復通過することで光束R1とR2の偏光面が入れ替わる。
つまり、光束R1は偏光ビームスプリツター面41を透過し
た直線偏光（Ｐ偏光）であるから光束R1の＋１次回折光
（R1＋）は1/4波長板71を介してＳ偏光となり、偏光ビ
ームスプリツター面41で反射しプリズム31から出射す
る。また光束R2は偏光ビームスプリツター面で反射した
直線偏光（Ｓ偏光）であるから光束R2の−１次回折光
（R2−）は1/4波長板71を介してＰ偏光となり、偏光ビ
ームスプリツター面41を透過しプリズム31から、光束
（R1＋）と重なりあって出射する。光束R1の＋１次回折
光（R1＋）と光束R2の−１次回折光（R2−）は、重なり
あったままプリズム３のミラー64,65により伝送され1/2
波長板８を透過してプリズム32に入射する。そして、プ
リズム32の所定箇所に設けたミラー面や偏光ビームスプ
リツター面42によって光束（R1＋）を光路L3に沿って進
行させ光束（R2−）を光路L4に沿って進行させ、各々ミ
ラー66で反射せしめて1/4波長板72を通過させた後に回
転デイスク板５上に設けた放射状回折格子の第２の点
（P2）に、前述の角度θ_０で入射させる、ここで、1/2
波長板８は＋１次回折光（R1＋）の偏光面をＳ偏光から
Ｐ偏光に変換し、−１次回折光（R2−）の偏光面をＰ偏
光からＳ偏光に変換している。また、点P1とP2は回転デ
イスク板５の回転軸０に対して対称な位置関係に設定し
ておく。回折格子で反射回折して点P2より出射した複数
の反射回折光のうち、光束（R1＋）の＋１次再回折光
（R1＋＋）は元の光路L3に逆進し、1/4波長板72を再び
通過してＳ偏光になり、プリズム32内の偏光ビームスプ
リツター面42で反射されプリズム32を射出する。一方、
光束（R2−）の−１次再回折光（R2−−）は元の光路L4
を逆進し1/4波長板72を再び透過してＰ偏光になり、プ
リズム32内の偏光ビームスプリツター面42を透過して＋
１次再回析光（R1＋＋）と重なりあってプリズム32を出
射する。重なりあった２光束は1/4波長板73を通過する
ことにより互いに偏光面が逆向きに回転する円偏光とな
るので、この互いに逆回りの円偏光同志が合成された光
束の偏光状態は直線偏光となる。この直線偏光光束の偏
光方位は、回転デイスク板５の回転に応じて変化する、
＋１次再回折光（R1＋＋）と一次再回折光（R2−−）の
波面の位相差によって決まり、位相差が0,π/4,2π/4,3
π/4,4π/4,5π/4,…,8π/4と変化していくあいだに直
線偏光光束の偏光方位は45゜,67.5゜,90゜,112.5゜,135
゜,157.5゜，…,225゜（45゜）と回転していく。そこ
で、この光束を非偏光ビームスプリツター９にて等光量
の２光束に分割した後、一方の光束を偏光素子10を用い
て特定の偏光成分のみを分離してとりだして、干渉光を
受光素子S1に入射させ、もう一方を偏光素子11を用いて
特定の偏光成分のみを分離して取り出して、干渉光を受
光素子S2に入射させれば、受光素子S1,S2からそれぞれ
回転デイスク板５の回転量に応じた周期的な信号が出力
される。ここで偏光素子10と11で取り出す偏光成分を互
いに45゜ずらしておけば、受光素子S1,S2に入射する干
渉光の明暗変化のタイミングが互いに1/4周期（出力信
号の位相でπ/2）だけずれる。従って、第１図の実施例
同様、これらの互いに90゜位相がずれた２相の周期信号
を電気的な増幅や二値化の処理をしてやれば、回転デイ
スク板５の回転角度や回転方向を検出することができ
る。

本ロータリーエンコーダーにおいては、回転デイスク
板５の放射状回折格子のピツチが光源１からの光束の波
長λと等しくなったとしても、光束R1及びR2の点P1及び
P2に対する入射角を30゜程度にすることができ、また、
±１次回折光及び±１次再回折光の射出角も30゜程度に
することができる。従って、光学系の配置に制約を受け
ることなく高分解能なエンコーダーを作成することが可
能である。

更に、本ロータリーエンコーダーは光束R1及びR2を回
転デイスク板５上の互いに対称な点P1,P2で回折させて
いるので、回転デイスク板５の回転中心０と放射状回折
格子の中心（放射中心）の偏心の影響を軽減させた、高
精度の回転状態の検出を達成している。

また、プリズム31からプリズム32伝送される±１次回
折光の光路がほぼ共通であるため、周囲の温度変動によ
り互いの光路長差が大きく生じることがなく、極めて安
定した検出が行える。

以上の説明で回折光の次数として＋１次や−１次を用
いているが、本願では±符号は第４図（Ａ）〜（Ｅ）に
示すように回折格子５の移動方向と光束の進行方位がず
らされる方向が一致するほうを＋、それと逆の場合を−
としている。

第１図に示すロータリーエンコーダーにおいて、プリ
ズム31,32の各々の偏光ビームスプリツター面41,42は、
本来、Ｐ偏光の光のみを透過し、Ｓ偏光の光のみを反射
させるべきものであるが、実際には、このような完全な
偏光ビームスプリツター面を形成するのは容易ではな
い。従って、プリズム31の偏光ビームスプリツター面41
から光路L1に沿って回折格子上の点P1に入射する光と、
同じく光路L2に沿って回折格子上の点P1に入射する光
は、各々Ｐ偏光成分とＳ偏光成分とが含まれることにな
り、1/4波長板71を介して偏光ビームスプリツター面41
へ入射する＋１回折光（R1＋）、−１次回折光（R2−）
は、各々「Ｓ偏光＋ある量のＰ偏光」、「Ｐ偏光＋ある
量のＳ偏光」を含む。＋１次回折光（R1＋）のＳ偏光光
と−１次回折光（R2−）のＰ偏光光とは、偏光ビームス
プリツター面41を介して互いに重なり合い、そこから射
出するが、偏光ビームスプリツター面41の上述の如き不
完全性に伴ない、＋１次回折光（R1＋）のＰ偏光光（以
下、＋１次不要回折光と称す）と−１次回折光（R2−）
のＳ偏光光（以下、−１次の不要回折光と称す。）も、
偏光ビームスプリツター面41を介して重なり合い、そこ
から射出する。

ここで、±１次の不要回折光は、プリズム３を通過
し、1/2波長板８に入射する、＋１次の不要回折光は1/2
波長板８を介してＳ偏光光になり、−１次の不要回折光
は1/2波長板８を介してＰ偏光光となる。そして、これ
ら±１次の不要回折光がプリズム32の偏光ビームスプリ
ツター面42に入射すると、＋１次の不要回折光が反射し
て光路L4へ向けられ、−１次の不要回折光が透過して光
路L3へ向けられる。＋１次の不要回折光は、光路L4に沿
って進み、λ/4板72を介して、回折格子上の点P2に入射
し、−１次の不要回折光は、光路L3に沿って進み、λ/4
板72を介して、回折格子上の点P2に入射する。＋１次の
不要回折光が回折格子で反射回折されて生じる−１次の
不要再回折光は、光路L4へ向かって射出し、−１次の不
要回折光が回折格子で反射回折されて生じる＋１次の不
要再回折光は光路L3に向かって射出する。−１次の不要
再回折光は光路L4に沿ってλ/4板72を介して偏光ビーム
スプリツター面42へ向けられ、＋１次の不要再回折光は
光路L3に沿ってλ/4板72を介して偏光ビームスプリツタ
ー面42へ向けられる。この時、λ/4板72の作用で−１次
の不要再回折光はＰ偏光光に、＋１次不要再回折光はＳ
偏光光になっており、−１次の不要再回折光が偏光ビー
ムスプリツター面42で透過し、＋１次の不要再回折光が
偏光ビームスプリツター面42を反射し、偏光ビームスプ
リツター面42から、互いに重なり合って±１次の不要再
回折光が射出する。そして、これらの±１次の不要再回
折光の光路は、±１次再回折光（R1＋＋,R2−−）の光
路と一致するから、±１次再回折と共に受光素子S1,S2
へ向かうことになる。

ここで、−１次の不要再回折光は、回折格子上の点P1
からの＋１次回折光が回折格子上の点P2で再回折して生
じた−１次回折光であるから、回折格子が変位しても位
相の変化は生じない。一方、＋１次の不要再回折光は、
回折格子上の点P1からの−１次回折光が回折格子上の点
P2で再回折して生じた＋１次回折光であるから、やは
り、回折格子が変位しても位相の変化は生じない。

ところが、−１次不要再回折光は、一次再回折光（R2
−−）の偏光方位と同じ偏光方位をもち、＋１次不要再
回折光は、＋１次再回折光（R1＋＋）の偏光方位と同じ
偏光方位をもつから、−１次不要再回折光と−１次再回
折光（R2−−）が互いに干渉し、＋１次不要再回折光と
＋１次再回折光（R1＋＋）が互いに干渉する。従って、
受光素子S1,S2からの信号は、±１次再回折光（R1＋＋,
R2−−）による干渉光の明暗変化に応じた正弦波信号
が、この±１次不要回折光の作用で±１次再回折光に生
じる強度変化に対応する正弦波信号で変調された信号に
なる。尚、前述のように、±１次再回折光（R1＋＋,R2
−−）の干渉による正弦波信号は、回折格子が１ピツチ
分だけ変位することにより４周期生じる。一方、±１次
不要回折光の作用による正弦波信号は、回折格子が１ピ
ツチ分だけ変位することにより２周期生じる。

このようにして、受光素子S1,S2からの正弦波信号の
振幅と位相が変調され、その波形が乱れる。この波形の
乱れは、回折格子の変位を測定する時の精度を低下させ
る要因となる。特に、受光素子S1,S2から得られる正弦
波信号を電気的に分割して多数個のパルスを生成するよ
うな（電気分割）処理を行う場合など、正確にパルスを
生成することができなくなる。

本発明の課題は、上述した、受光素子S1,S2からの正
弦波信号の振幅と位相の乱れをなくすことにあり、これ
は、以下に示す実施例により解決される。

第２図は、本発明の一実施例を示す斜視図であり、１
は光源で、ここではマルチモード半導体レーザーを用い
ている。２はコリメータレンズ、31,32はプリズム、41,
42は偏光ビームスプリツター面、５は回転デイスク板
（回折格子）、71,72,73は1/4波長板、８は1/2波長板、
９は非偏光ビームスプリツタ、10,11は検光子、S1,S2は
受光素子、14,15は互いに同じ厚さのガラス板、16は折
り返しミラーである。第２図と第１図を比較すると解る
ように、本実施例のエンコーダーは、ガラス板14,15、
折り返しミラー16を備えている以外は、第１図で示した
エンコーダーと全く同一での系を有している。尚、100
は読取りユニツトを示す。

光源１から射出した光束は、コリメータレンズ２によ
って、平行光束に変換され、プリズム31に入射する。そ
して、この平行光束は、プリズム31に形成したミラーを
介して偏光ビームスプリツター面41によって光束R1,R2
に２分割され、光束R2はガラス板14によって、光束R1に
対して所定量の光路長差を付与される。光束R1,R2は各
々対応する光路L1,L2に沿って進行する。ここで光路L1,
L2の各光路長|L1|,|L2|は以下のように設定してある。

|L1|−|L2|＝Δ₁₂≠０次に、光束R1（Ｐ偏光＋ある量のＳ偏光）、R2（Ｓ偏
光＋ある量のＰ偏光）は、各々1/4波長板71を透過して
から、回転デイスク板５上に設けた放射状回折格子上の
点P1に、互いに逆側から同時に入射する。ここで前述の
様に、これらの光束R1,R2が点P1で回折されて点P1から
射出する複数の回折光のうち、光束R1が回折されて生じ
た＋１次反射回折光（R1₊₁）と光束R2が回折されて生じ
た−１次反射回折光（R2_-1）が、元の光路L1,L2を逆進
する様に、第４図（Ｃ）に示す通り予め光束R1,R2の入
射角をθ_０［＝sin^-1（λ/2p）］に設定しておく。この
ようにして得られた＋１次反射回折光（R1₊₁）、−１次
反射回折光（R2_-1）は、デイスク５が放射状回折格子の
１ピツチ分だけ回転する間にそれらの波面の位相が、＋
１次反射回折光（R1₊₁）は『２π進み』、−１次反射回
折光（R2_-1）は『２π遅れる』という位相の変化を与え
られる。

また、光束R1とR2は、偏光ビームスプリツター面41の
作用で、偏光面が互いに直交した略直線偏光になってい
るが、各光束が1/4波長板71を往復透過することで、±
１次反射回折光（R1₊₁とR2_-1）の偏光面の関係が入れ替
わる。従って、＋１次反射回折光（R1₊₁）は『Ｓ偏光＋
ある量のＰ偏光』、−１次反射回折光（R2_-1）は『Ｐ偏
光＋ある量のＳ偏光』になっている。＋１次反射回折光
（R1₊₁）のＳ偏光成分は、偏光ビームスプリツター面41
で反射し、プリズム31から出射する。また−１次反射回
折光（R2_-1）のＰ偏光成分は、偏光ビームスプリツター
面41を透過し、プリズム31から、＋１次反射回折光（R1
₊₁,S偏光成分と重なりあって出射する。

しかし、偏光ビームスプリツター面41の特性の不完全
性によって、＋１次反射回折光（R1₊₁）に含まれていた
微量のＰ偏光成分の一部も、偏光ビームスプリツター面
41で反射し、−１次反射回折光（R2_-1）に含まれていた
微量のＳ偏光成分の一部も、偏光ビームスプリツター面
41を透過し、互いに重なり合ってプリズム31より出射す
る。

±１次反射回折光（R1₊₁とR2_-1）は、互いに重なりあ
ったまま、プリズム３に伝送され、プリズム３で反射せ
しめられて、そして1/2波長板８を透過し、偏光面が互
いに入れ替えられる。つまり＋１次反射回折光（R1₊₁）
は『Ｐ偏光＋ある量のＳ偏光』に、−１次反射回折光
（R2_-1）は『Ｓ偏光＋ある量のＰ偏光』になる。各回折
光（R1₊₁とR2_-1）はプリズム32に入射し、プリズム32に
形成したミラーを介して偏光ビームスプリツター面42に
入射し、それによって互いに分割される。各回折光（R1
₊₁とR2_-1）のＰ偏光成分は光路L3に、Ｓ偏光成分は光路
L4に進行させられる。ここで、Ｐ偏光成分の光路L3には
ガラス板15が設けられており、光路L3,L4の各光路長|L3
|,|L4|は、次の関係を満たすように設定されている。

|L3|−|L4|＝Δ₃₄≠０ |L1|＋|L3|＝|L2|＋|L4| ここで、上記Δ₃₄と先に示したΔ₁₂の値は、光路L1と
光路L3を介して受光素子S1,S2に入射する光と、光路L2
と光路L3を介して受光素子S1,S2に入射する光の光路長
差、及び光路L2と光路L4を介して受光素子S1,S2に入射
する光と光路L1と光路L4を介して受光素子S1,S2に入射
する光の光路長差が、光源１からの光束の可干渉距離よ
り大きくなるように設定してある。さて、±１次反射回
折光（R1₊₁とR2_-1）は、各々1/4波長板72を透過した
後、回転デイスク５上に設けた放射状回折格子上の点P2
に入射する。ここで点P1とP2は回転デイスク５の回転中
心に対して、互いに点対称な位置関係に設定しておく。

点P2より出射した複数の回折光のうち、光路L3を進行
してきた±１次反射（回折光R1₊₁とR2_-1）の、＋１次反
射再回折光（R1₊₁₊₁とR2_-1+1）は、回転デイスク５が放
射状回折格子の１ピツチ分回転する間に、『２π位相が
進んで』元の光路L3を逆進し、光路L4を進行してきた＋
１次反射回折光（R2_-1とR1₊₁）の−１次反射再回折光
（R2_-1-1とR1_+1-1）は、『２π位相が遅れて』元の光路
L4を逆進する。すなわち、回転デイスク５が放射状回折
格子の１ピツチ分回転する時の各光束の波面の位相のず
れは以下のようになる。

R1₊₁₊₁…＋２π＋２π＝＋４π R2_-1-1…−２π−２π＝−４π R1_+1-1（不要再回折光）…＋２π−２π＝０ R2_-1+1（不要再回折光）…−２π＋２π＝０次に、各反射再回折光は、1/4波長板72を再び透過
し、＋１次反射回折光（R1₊₁₊₁とR2_-1+1）はＳ偏光光に
なり、−１次反射再回折光（R2_-1-1とR1_+1-1）はＰ偏光
光になり、プリズム32に入射する。プリズム32内の偏光
ビームスプリツター面42で、Ｓ偏光光（R1₊₁₊₁とR
2_-1+1）は反射され、Ｐ偏光光（R2_-1-1とR1_+1-1）は透
過するので、上記４光束は重なり合ってプリズム32を出
射する。そのうち、２光束（R1₊₁₊₁とR2_-1+1）は偏光面
が互いに一致しているが、それぞれの光路長が R1₊₁₊₁…|L1|×２＋|L3|×２＋L₀ R2_-1+1…|L2|×２＋|L3|×２＋L₀ （L₀は共通部分の光路長）であり、Δｌ＝Δ₁₂×２≠０、なる光路長差Δｌが付与
されている。ここで、光路長差Δｌが、光源１からの光
の可干渉距離より大きくなるようにΔ₁₂とΔ₃₄の値が設
定されているので２光束（R1₊₁₊₁とR2_-1+1）は互いに干
渉せず光束（R₊₁₊₁）の強度が変調されない。すなわ
ち、光束（R2_-1+1）は単なるDC成分になる。また２光束
（R2_-1-1とR1_+1-1）も偏光面が一致しているが、同様の
理由により光路長差Δｌ＝Δ₃₄×２であり、光束（R
_-1-1）の強度は変調されない。Ｓ偏光の光束（R1₊₁₊₁と
R2_-1+1）とＰ偏光の光束（R2_-1-1とR1_+1-1）は、1/4波
長板73を透過して、互いに偏光面が逆向きに回転する円
偏光となるので、その合成された光束の偏光状態は直線
偏光となる。この直線偏光光束の偏光方位は、光束（R1
₊₁₊₁と光束（R2_-1-1）の各波面の位相差によって決まり
回折格子の変位に応じてこの位相差が０、π/4、２π/
4、３π/4、４π/4、５π/4、…、８π/4と変化してい
くあいだに偏光方位は45゜,67.5゜,90゜,112.5゜,135
゜,157.5゜，…,225゜（45゜）と回転していく。そこ
で、この直線偏光光束を非偏光ビームスプリツタ９で同
強度の２光束に分割した後、一方の光束を、検光子10を
用いて、特定の偏光成分のみを分離して取り出して、干
渉光として受光素子S1に入射させ、もう一方の直線偏光
光束を、検光子11を用いて、特定の偏光成分のみを分離
して取り出して、干渉光として受光素子S2に入射させれ
ば、受光素子S1,S2から周期的な正弦波信号が出力され
る。ここで検光子10と11により取り出す偏光成分を互い
に45゜ずらしておけば、各干渉光の明暗変化のタイミン
グが、互いに1/4周期（正弦波信号の位相でπ/2）だけ
ずれる。この様にして得られる２相の正弦波信号を電気
的に増幅し、二値化処理をして、回転角及び回転方向に
対応する角信号を得ることができる。このとき光束（R1
_+1-1とR2_-1+1）の影響によって、受光素子S1,S2からの
正弦波信号に微量のDC成分が付加されているが、これに
より正弦波信号の振幅や位相の変化は生じず、正しい波
形の信号が得られる。また、後段に設けた回路による正
弦波信号の電気分割も正しく行える。

第２図において、第４図（Ｂ），（Ｄ）に示す様に点
P1、点P2に入射する各光束の入射角を図示された状態か
ら多少ずらして、往路の光路と復路の光路が一致しない
様に構成すれば、各光束が回折格子が生じる正反射光が
他の光路に混入しないので好ましい。この構成で、光路
L1に対応する復路L1′の光路長を|L1′|,光路L2に対応
する復路L2′の光路長を|L2′｜、光路L3に対応する復
路L3′の光路長を|L3′｜、光路L4に対応する復路L4′
の光路長を|L4′｜とすれば、第２図と同様、ガラス板
を挿入することで、各光路長が以下の条件を満たすよう
にすれば良い。

|L1|＋|L1′｜＋|L3″｜＋|L3| ＝|L2|＋|L2′｜＋|L4″｜＋|L4| 以上の実施例で説明したエンコーダーでは、光源１と
してマルチモード半導体レーザを用いて、更にガラス板
を挿入するだけで、不要回折光の干渉作用のみを無く
し、必要な±１次再回折光の干渉作用を阻害しないです
む。また、光源は、通常のシングルモード半導体レーザ
ーでも、ガスレーザーでも良い。尚、ガラス板14を光路
L1に挿入した場合は、ガラス板15は光路L4に挿入し、ガ
ラス板14を光路L2に挿入した場合は、ガラス板16は光路
L3に挿入すればよいことは言うまでもない。更に、上記
実施例では回転デイスク（スケール）の回折格子の変位
を測定するものを例示したが、本発明はリニアスケール
に形成した回折格子の変位を測定するリニアエンコーダ
ーにも適用できる。

第３図は、第２図の実施例の変形例を示す概略図であ
り、光路L1,L2間の光路長及び光路L3,L4間の光路長をガ
ラス板14,15を用いることなく、光学部品の形状や配置
によって、互いに異ならしめるように構成したものであ
る。第３図において、第１図及び第２図に示した各部材
と同一の部材に同一符号が符してあり、図から明らかな
ように、本実施例のエンコーダーの機能は第２図のエン
コーダーと同じである。従って、これ以上の説明は略す
ことにする。

第５図は、本発明の構成によるロータリーエンコーダ
100を空気軸受けベアリングから成る回転ステージ114に
取り付けて、その回転ステージ114の一方に磁気デイス
クトラツク信号書き込み用ヘツド112を取り付けて、磁
気デイスク113のトラツク信号書き込み装置に応用した
ものである。

＜発明の効果＞以上説明したように、偏光ビームスプリツタ、波長板
等の光学部品の特性が多少悪くて、不要回折光が光路中
に生じても、エンコーダの出力信号に影響が表われない
ので、比較的安価な光学部品が使用できるとともに、信
号の電気分割による高分解能化がより正確に行える。

【図面の簡単な説明】

第１図はロータリーエンコーダーの一例を示す斜視図。第２図は本発明の一実施例を示す斜視図。第３図は第２図で示したエンコーダーの変形例を示す斜
視図。第４図は、回折光の回折次数を説明するための図。第５図は本発明を磁気デイスクトラツク信号書き込み装
置に応用した例を示す図。第６図は従来のエンコーダを示す概略図。１……光源、２……コリメータレンズ、 3,31,32……プリズム、 41,42……偏光ビームスプリツター面、５……回転デイスク、 64,65……ミラー、 71,72,73……1/4波長板、８……1/2波長板、９……非偏光ビームスプリツタ、 10,11……検光子、 14,15……ガラス板、 S1,S2……受光素子。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光源からの光束を分割して光束R1と光束R2
とを形成する第１偏光ビームスプリツターと上記光束R1
の光路L1及び上記光束R2の光路L2に設けた第１λ/4板と
を備え、回折格子と上記光束R1を回折させて生じる正の
第１回折光が上記光路L1に沿って進み、上記回折格子で
光束R2を回折させて生じる負の第２回折光が上記光路L2
に沿って進むように上記光束R1と光束R2を上記回折格子
に入射させると共に上記第１及び第２回折光を上記第１
偏光ビームスプリツターを介して重畳せしめる第１光学
手段と、上記第１光学手段からの上記第１及び第２回折
光を互いに分離せしめる第２偏光ビームスプリツターと
第２偏光ビームスプリツターからの上記第１回折光の光
路L3及び第２回折光の光路L4に設けた第２λ/4板とを備
え、上記回折格子で上記第１回折光を回折させて生じる
正の第１再回折光が上記光路L3に沿って進み、上記回折
格子で上記第２回折光を回折させて生じる負の第２再回
折光が上記光路L4に沿って進むように上記第１及び第２
回折光を上記回折格子に入射させると共に上記第１及び
第２再回折光を上記第２偏光ビームスプリツターを介し
て重畳せしめる第２光学手段と、上記第２光学手段から
の上記第１及び第２再回折光を互いに干渉させて形成し
た干渉光を電気信号に変換する変換手段とを有し、上記
光路L1及びL4を介して上記変換手段に入射する光と上記
光路L2及びL4を介して上記変換手段に入射する光の光路
長差と、上記光路L1及びL3を介して上記変換手段に入射
する光と上記光路L2及びL3を介して上記変換手段に入射
する光の光路長差を、上記光源からの光束の可干渉距離
より大きくしたことを特徴とするエンコーダー。