(57)【要約】【課題】メインスケールで回折された２光波の合成光を検出する受光手段の光軸を、該スケールに傾斜させずに済むようにし、装置のコンパクト化を図る。【解決手段】光源１０から照射される平行光束を２光波に分割するビームスプリッタ１２と、分割された２光波をそれぞれ回折させる透過型の第１回折格子が形成されているメインスケール１４とを備えた光学式エンコーダにおいて、前記メインスケールの透過側には、第２回折格子１６が平行に配設されて、前記メインスケールの第１回折格子が、前記光源の発光波長をλとすると、λより短く、λ／２より長い格子ピッチＰ１で形成され、且つ、前記第２回折格子が、次式【数１３】2004037199.tif 000016（ここで、ｎ：回折光の次数、θｉ：メインスケールへの入射角）を満足する格子ピッチＰ２で形成されている。【選択図】　　　図１
2004037199.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から照射される平行光束を２光波に分割する光分岐手段と、分割された２光波をそれぞれ回折させる透過型の第１回折格子が形成されているメインスケールとを備えた光学式エンコーダにおいて、
前記メインスケールの透過側には、第２回折格子が該メインスケールに平行に配設されていると共に、
前記第２回折格子が、前記メインスケールから入射される２光波の進行方向を、該メインスケールに対して垂直方向にそれぞれ変更可能な格子ピッチで形成されていることを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項２】
前記メインスケールの第１回折格子が、前記光源の発光波長をλとすると、λより短く、λ／２より長い格子ピッチＰ１で形成され、
且つ、前記第２回折格子が、次式
【数１】
2004037199.tif 000015
（ここで、ｎ：回折格子で生じる回折光の次数、θｉ：光源からメインスケールに入射する光の入射角）
を満足する格子ピッチＰ２で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。
【請求項３】
前記第２回折格子により前記メインスケールに対して垂直に進行方向を変更された一方の回折光を、該メインスケールに平行な方向に反射する反射手段と、
反射された前記一方の回折光及び前記第２回折格子により同様に進行方向を変更された他方の回折光を合成する合成手段とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。
【請求項４】
前記合成手段により合成される前記２つの回折光のいずれか一方の光路に半波長板が配設されていることを特徴とする請求項３に記載の光学式エンコーダ。
【請求項５】
前記合成手段が、ビームスプリッタであることを特徴とする請求項３に記載の光学式エンコーダ。
【請求項６】
前記合成手段で生成された合成光の出射方向には、２相以上の信号を検出するための光学素子及び受光素子を有する受光手段が配設されていることを特徴とする請求項３に記載の光学式エンコーダ。
【請求項７】
前記第２回折格子が反射型であることを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。
【請求項８】
前記第２回析格子が前記メインスケールにより回析された２光波の入射位置で、異なる格子ピッチで形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。
【請求項９】
前記光分岐手段が、ビームスプリッタ又は透過型の第３回折格子であることを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。
【請求項１０】
前記光源が、光軸を前記メインスケールに平行に配設されていると共に、該光源から照射される平行光束を該メインスケールに交差する方向に変更する光軸変更手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、光学式エンコーダに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、光の回折と干渉を利用して、光源の波長よりも短い格子ピッチの回析格子が形成されているメインスケールの動きを検出することにより、その移動量を精密測定する光学式エンコーダが、例えば特開平１−７３２１９号公報に提案されている。
【０００３】
このようなエンコーダは、その要部を図６に模式的に示すように、回折格子が形成されているメインスケール１００に対して、斜めに交差する照射光軸を有する光源１０２と、該光源１０２からの平行光束をＰ偏光とＳ偏光に分岐する偏光ビームスプリッタ（図中、Ｂ．Ｓ．）１０４と、分岐された両偏光を前記メインスケール１００で回折させた後、Ｐ偏光及びＳ偏光を分岐・合成する偏光機能のない通常のビームスプリッタ１０６と、２つの合成光をそれぞれ検出するＡ相受光素子１０８と、Ｂ相受光素子１１０とを備えている。
【０００４】
この図に示されるエンコーダでは、前記偏光ビームスプリッタ１０４により分岐されたＰ偏光とＳ偏光の２光束をメインスケール１００上でそれぞれ回折させた後、再び合成することにより、前記Ａ相、Ｂ相の各受光素子１０８、１１０によりスケール１００の動きに追従した正弦波状の信号を得ることができるようになっている。
【０００５】
この方式のエンコーダでは、偏光方向が９０°異なるＰ偏光とＳ偏光の２光波を前記ビームスプリッタ１０６により分岐と合成を同時に行なっている。即ち、ビームスプリッタ１０６では、中心のハーフミラーに対して互いに対向する方向からＰ偏光、Ｓ偏光が入射されるため、いずれの偏光も一部は透過し、一部は反射されることから、該ビームスプリッタ１０６からは、図中左右のいずれの方向にもＰ偏光とＳ偏光の両者を含む合成光が出射されることになる。但し、Ｐ偏光とＳ偏光は偏光方向が直交しているために干渉しない。そこで、両偏光に対して光軸を４５°に設定した偏光板１１２を介在させることにより、両偏光の４５°成分の間で干渉を起こさせると共に、一方に１／４波長（λ）板１１４を介在させて両者間に位相差を与えることにより、９０°位相の異なるＡ相とＢ相の信号を前記受光素子１０８、１１０によりそれぞれ検出できるようにしてある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記のような従来の光学式エンコーダには、以下のような問題がある。
【０００７】
１つ目の問題点は、光学部品（デバイス）は光軸に沿って配置しなければならないが、特にメインスケール１００を透過した２方向の回折光の光軸は斜めになっているため、受光手段を構成する受光素子１０８、１１０、偏光板１１２、１／４波表板１１４等の各デバイスを光軸が傾いた状態に設計しなければならないことから、デバイスを固定する部分の加工や調整が困難になる上に、装置サイズも大きくなってしまうということである。
【０００８】
２つ目の問題点は、メインスケール１００ではＰ偏光とＳ偏光とをそれぞれ回折させているため、信号を生成するための２光波の光パワーのバランスが悪いということである。即ち、メインスケール１００上で回折する際に、光波の偏光方向や偏光状態が異なると回折効率も異なってしまうという現象があるため、このように光パワーのバランスが悪い場合には、最終的に得られる電気信号のＳ／Ｎ比が低下してしまうことになる。
【０００９】
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、メインスケールで回折された２光波の合成光を検出するための受光手段を構成する各デバイスの光軸を、該スケールに対して傾斜させる必要がないために、デバイス固定の容易化と装置のコンパクト化を図ることができ、しかもメインスケールに偏光状態が同一の２光波を入射させることができることから、光パワーのバランスがよくなり、信号のＳ／Ｎ比を向上することができる光学式エンコーダを提供することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、光源から照射される平行光束を２光波に分割する光分岐手段と、分割された２光波をそれぞれ回折させる透過型の第１回折格子が形成されているメインスケールとを備えた光学式エンコーダにおいて、前記メインスケールの透過側には、第２回折格子が該メインスケールに平行に配設されていると共に、前記第２回折格子が、前記メインスケールから入射される２光波の進行方向を、該メインスケールに対して垂直方向にそれぞれ変更可能な格子ピッチで形成されているようにしたことにより、前記課題を解決したものである。
【００１１】
即ち、本発明においては、メインスケールの透過側に、例えば、後述する（１）式で表わされる格子ピッチＰ２の第２回折格子を平行に配設することにより、回折した２光波の進行方向がいずれもメインスケールに垂直な方向に変更されるようにしたので、両光の合成光を検出する受光手段の光軸を、該スケールに対して傾いた状態にする必要がなくなることから、デバイス固定の容易化と装置のコンパクト化を図ることができ、しかも、光源光を偏光機能の無い光分岐手段により２光波に分割し、メインスケールに入射させるようにしたので、生成される２つの回折光について光パワーのバランスを良くし、Ｓ／Ｎ比を向上することもできる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１３】
図１は、本発明に係る第１実施形態の光学式エンコーダの要部を示す、光軸を通る面における概略断面図である。
【００１４】
本実施形態の光学式エンコーダは、光源１０から照射される平行光束を２光波に分割するビームスプリッタ（光分岐手段）１２と、分割された２光波が入射されるとそれぞれ回折させる透過型の第１回折格子が形成されているメインスケール１４とを備えていると共に、前記メインスケール１４の透過側には、反射型の第２回折格子１６が該メインスケール１４に平行に配設されている。
【００１５】
前記光源１０は、その光軸を前記メインスケール１４に平行にして配置され、該光源１０からの平行光束はレンズ１８のエッジ部分を利用した光軸変向手段により進行方向を曲げられ、前記ビームスプリッタ１２に入射されるようになっている。このビームスプリッタ１２は、前記図６に示した従来のエンコーダと異なり、偏光機能の無い単純な光分岐手段である。従って、ここで分割される２光波の偏光状態は同一であり、分光前の入射光とも同一である。又、この入射光としては、Ｐ偏光又はＳ偏光のいずれか一方を成分とするものであっても、両者を成分として含むものであってもよい。
【００１６】
本実施形態においては、前記メインスケール１４には、前記光源１０の発光波長をλとすると、λより短く、λ／２より長い格子ピッチＰ１の第１回折格子が形成されている。このλ／２より長いということは、後述する（３）式を満足する最大範囲を規定するための条件である。
【００１７】
又、同時に、前記反射型の第２回折格子１６が、次の（１）式
【数２】
2004037199.tif 000003
（ここで、ｎ：回折格子で生じる回折光の次数、θｉ：光源からメインスケールに入射する光の入射角）
を満足する格子ピッチＰ２で形成されている。なお、入射角θｉは左右で正負が逆の関係にあるが、便宜上図１では区別しないで示してある。後述する図３、図４でも同様である。
【００１８】
第２回折格子１６の格子ピッチＰ２をこの（１）式で設定することは、第２回折格子１６から前記メインスケール１４に入射される２つの回折光を、いずれも該メインスケール１４に対して垂直方向（直交方向）に変更できることを意味する。この（１）式の導き方を、図１の左側に相当する図２を用いて説明する。
【００１９】
図２において、まずＡ点の回折角θｄ１を考えると、回折の一般式より次式
【数３】
2004037199.tif 000004
（ここで、ｎＡ：Ａ点での回折次数）
で表わすことができる。
【００２０】
本発明では、
【外１】
2004037199.tif 000005
と定義しており、θｄ１が存在するためには、ｎＡ＝１ｏｒ−１、且つ、ｓｉｎθｉの符号がｎＡの符号と逆になる必要がある。
【００２１】
又、図のθｄ１の値が正であると仮定すれば、（２）式より次式
【数４】
2004037199.tif 000006
が得られる。
【００２２】
次に、Ｂ点での回折を考えると、同様に一般式より次式
【数５】
2004037199.tif 000007
で表わすことができる。（３）式を（４）式に代入すると、次式
【数６】
2004037199.tif 000008
が得られる。
【００２３】
本発明では、θｄ２＝０°、即ち真上に光が進む様に設定するため、（５）式より
【数７】
2004037199.tif 000009
の関係式が得られる。
【００２４】
又、Ｐ２は必ず正の値であるため、
【数８】
2004037199.tif 000010
と表わすことができる。
【００２５】
ここで、Ａ点における計算条件により上記（８）式の左辺は常に０以上，１以下の値である。従って、これを満たす様にさえすれば、ｎＢは±１以外の値もとり得る（ｎＢが大きくなった分だけＰ２も大きくする）。
【００２６】
以上により
【数９】
2004037199.tif 000011
が成り立つ。即ち、前記（１）式が得られる。
【００２７】
又、本実施形態の光学式エンコーダは、前記第２回折格子１６が反射型であるため、前記メインスケール１４の入射側（光源側）には、該回折格子１６により反射された一方の回折光（図中、右側）を、該メインスケール１４に平行な方向に反射するミラー（反射手段）２０と、該ミラー２０により反射された回析光を、前記第２回折格子１６により反射された他方の回折光（図中、左側）と合成するビームスプリッタ（合成手段）２２とを備えている。又、このビームスプリッタ２２に入射されて合成される上記左右の回折光からなる２光波の一方の光路に当る前記ミラー２０の反射側には半波長（１／２λ）板２４が配設され、これにより他方の回折光に対して偏光軸を９０°回転させることにより、該ビームスプリッタ２２により生成される合成光に干渉が生じないようにしてある。
【００２８】
又、このビームスプリッタ２２により生成される合成光の進行方向には、光軸が前記メインスケール１４に対して水平方向に配されたＡ相受光素子２６が、垂直方向に配されたＢ相受光素子２８がそれぞれ設置され、前者２６によっては偏光板３０を介して、後者２８によっては偏光板３０と１／４波長（λ）板３２とを介してそれぞれの方向に進む合成光が検出されるようになっている。これら各光学デバイス２６〜３２で構成される受光手段は、光軸の方向が異なるだけで、前記図６に示した従来のエンコーダの場合と実質的に同一である。
【００２９】
次に、本実施形態の作用を説明する。
【００３０】
前記光源１０から出た光は、前記レンズ１８により進行方向を変えられた後、ビームスプリッタ１２により２光波に分けられ、更にメインスケール１４に対してそれぞれ入射角θｉで入射された後、これら２光波はメインスケール１４により回折される。その際の光の回折角θｄは、回折の一般式から下記の（１０）式
【数１０】
2004037199.tif 000012
（ここで、ｎ：回折次数、θｄ：回折角、λ：光源波長、Ｐ：格子ピッチ、θｉ：光の入射角）
により表わされる。
【００３１】
従って、回折が生じる条件としては、回折角θｄが９０°より小さい場合に限られるることから、（１０）式のｓｉｎ−１の（　）内の値が１未満になる必要がある。本発明では、前記メインスケール１４のピッチＰ１が、光源波長λよりも短く、且つλの１／２倍よりも長く設定されており、回折次数ｎ＝±１の場合には
【数１１】
2004037199.tif 000013
の式を満たすように、入射角θｉを設定する必要がある。
【００３２】
一例を挙げると、光源波長λが７００ｎｍ、スケールピッチＰ１が５００ｎｍの場合であれば、θｉを４５°に設定すればよい。この場合、（１１）式の解は、０．６９３となり、式の条件を満たす。更に、この場合の回折角θｄは（１０）式を適用すると、４３．８６°となる。
【００３３】
次に、メインスケール１４で回折された光が、前記（１）式で表わされた格子ピッチＰ２を持つ回折格子（ここでは、反射型回析格子）で回折されると、光は該スケール１４の側長方向に対して直交する方向に進むことになる。即ち、例えば前記（１）式の回折次数を１あるいは−１に設定する場合には、先の計算条件と合わせて、Ｐ２は１０１０．３ｎｍとなり、更にメインスケール１４からの入射光角が前記回折角θｄと等しい４３．８６°であるため、この条件を（１０）式に適用すると回折角はほぼ０°、即ち真上に光が進んでいくことが分かる。
【００３４】
このように、第２回折格子１６から真上に放射される光は、メインスケール１４を通過し、その一方の光は前記ミラー２０によってメインスケール１４の側長方向と平行な方向に向きを変えられ、更に１／２波長板２４により偏向軸を９０°回転される。このように、一方の偏向軸を９０°回転させることにより、前記ビームスプリッタ１２に入射された光が、例えばＰ偏向であったとすると、Ｓ偏向になる。即ち、偏向軸が直交する関係の２光波が生成される。これは入射光がＳ偏向であっても、両者が混在している場合であっても同様である。従って、その後、前記ビームスプリッタ２２により２光波を干渉させることなく合成することができ、それぞれ前記Ａ相受光素子２６、Ｂ相受光素子２８により検出することにより、前記特開平１−７３２１９号公報に開示されている方法と同様に信号を生成することができる。
【００３５】
本実施形態の光学式エンコーダでは、各光学素子（デバイス）の光軸を、メインスケール１４に対して平行又は直角に配置できるため、これらデバイスの設計及び組立が容易になり、又、メインスケール１４及び第２回折格子１６に入射する光の偏向方向が全て同じであるため、信号光である２光波のバランスがよくなり、Ｓ／Ｎ比を向上することができる。更に、光源１０と受光手段を構成するデバイスをメインスケール１４に対して同一の側に配置できるため、より小型化が可能となる。
【００３６】
なお、このエンコーダでは、光源１０からの光の進行方向を斜めに変えるために、光軸変更手段としてレンズ１８を用いているが、これに限らずプリズムやあるいは回折素子等によって置き換えるようにしてもよい。又、第２回折格子１６は反射型を使用しているが、図３に模式的に示すように透過型格子とミラー１６Ａの組み合わせで構成してもよい。
【００３７】
以上詳述した本実施形態によれば、光源の発光波長よりも短い格子ピッチのスケールを備えた光学式エンコーダにおいて、該デバイスを構成する光学デバイスの配置を簡易化することができる。
【００３８】
又、光源１０と受光手段を構成する各光学デバイスを同じ側に配置できるため、同一のボックスに入れることができるようになることから、検出器（エンコーダ）のサイズを小型化することができる。
【００３９】
又、Ａ相とＢ相の信号を生成する各２光波の光パワーバランスが良好であるため、質の良い検出信号を得ることができる。
【００４０】
図４は、本発明に係る第２実施形態の光学式エンコーダの要部を示す、前記図１に相当する概略断面図である。
【００４１】
本実施形態の光学式エンコーダは、光分岐手段として前記図１に示したビームスプリッタ１２に代えて、格子ピッチＰ３で形成された透過型の光分岐用回折格子（第３回折格子）３４を、前記メインスケール１４に平行に配設した以外は、前記第１実施形態の場合と実質的に同一である。
【００４２】
本実施形態では、光源１０からの光は前記光分岐用回折格子３４により２光波に分岐（分割）される。ここでは、スケールに入射する２光波の入射角は同じであることが望ましい。この場合には、前記（１）式、（１１）式に加えて、光分岐用回折格子３４に回折の一般式を適用して得られる次の（１２）式
【数１２】
2004037199.tif 000014
を満たす必要がある。ここで、θｉｉは、光分岐用回折格子３４に対する入射角であり、ｎｌは図に向かって左側の回折光の次数、ｎｒは右側の回折光の次数である。
【００４３】
例えば、ｎｌを１、ｎｒを−２と設定した場合に、前記第１実施形態と同様にθｉを４５°とするためには、Ｐ３は２０９８．６ｎｍ、θｉｉは１３．６３°に設定すればよく、又ｎｌ、ｎｒにそれぞれ±１次の回折光を使用するとすれば、Ｐ３は９８９．９ｎｍ、θｉｉは０°、即ち光分岐用回折格子３４に対して垂直に光を入射すればよいことになり、構成がより簡単になる。
【００４４】
更に、本実施形態では、光分岐用回折格子３４を基準として、ミラー２０、ビームスプリッタ２２等の光学デバイスを配置できるため、組立時の調整がより容易になるという利点もある。
【００４５】
図５は、本発明に係る第３実施形態の光学式エンコーダの要部を示す、前記図３に相当する概略断面図である。
【００４６】
本実施形態の光学式エンコーダは、光分岐用回折格子３４からメインスケール１４への入射角が、図中左右で異なる場合に対応できるように、第２回折格子１６には、左右に異なる格子ピッチＰ２１とＰ２２の２種類の回折格子を形成するようにした以外は、実質的に前記第２実施形態のエンコーダと同一である。
【００４７】
本実施形態のエンコーダは、メインスケール１４及び回折格子１６での回折角をそれぞれの点で計算し、回折格子のピッチを決定する必要がある。但し、本実施形態によれば、光学素子の配置の都合上、光分岐用回折格子３４により分岐後の２光波のメインスケール１４に対する入射角を同じにすることが困難な場合に対応することができる。ここで、入射角θｉ１、θｉ２については、第２実施形態の場合と同様に回折の一般式から前記（１２）式に相当する式を求めることができ、得られれるθｉ１、θｉ２をそれぞれ前記第１実施形態におけるθｉに適用することにより、第２回折格子のピッチＰ２１、Ｐ２２を同様に求めることができる。
【００４８】
以上、本発明について具体的に説明したが、本発明は、前記実施形態に示したものに限られるものでなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
【００４９】
例えば、前記実施形態では、光学式エンコーダとして反射型、即ち、第２回折格子１６が基本的に反射型である場合について説明したが、これに限定されず、この第２回折格子１６もメインスケール１４と同様に透過型にし、その透過側に前記Ａ相、Ｂ相の各受光素子２６、２８等の光学デバイスを配設する完全な透過型のエンコーダとしてもよい。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明によれば、メインスケールで回折された２光波の合成光を検出する受光手段を構成するための各デバイスの光軸を、該スケールに対して傾斜させずに済むため、デバイス固定の容易化と装置のコンパクト化を図ることができ、しかもメインスケールに偏光状態が同一の２光波を入射させることができるため、光パワーのバランスがよくなり、信号のＳ／Ｎ比を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１実施形態の光学式エンコーダの要部構成を示す概略断面図
【図２】上記光学式エンコーダの一部を拡大して示す概略断面図
【図３】本実施形態の変形例の要部を示す概略断面図
【図４】本発明に係る第２実施形態の光学式エンコーダの要部構成を示す概略断面図
【図５】本発明に係る第３実施形態の光学式エンコーダの要部構成を示す概略断面図
【図６】従来の光学式エンコーダの要部構成を示す概略断面図
【符号の説明】
１０…光源
１２…ビームスプリッタ
１４…メインスケール
１６…第２回折格子
１８…レンズ
２０…ミラー
２２…ビームスプリッタ
２４…半波長板
２６…Ａ相受光素子
２８…Ｂ相受光素子
３０…偏光板
３２…１／４波長板
３４…光分岐用回折格子
【図１】
2004037199.tif 000017
【図２】
2004037199.tif 000018
【図３】
2004037199.tif 000019
【図４】
2004037199.tif 000020
【図５】
2004037199.tif 000021
【図６】
2004037199.tif 000022