JP4250894B2 - 光学式エンコーダ及びエンコーダ用スケール - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学式エンコーダ及びエンコーダ用スケールに係り、特に、入射されたレーザ光の偏光状態を変化させる光学異方性部位が分布されたスケールと、このスケールを用いて移動量を検出する光学式エンコーダとに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光学式エンコーダは、レーザ光を出力する光源、回折格子を備えると共に所定方向に移動可能とされたスケール、レーザ光を平行光化してスケールの回折格子に入射させるコリメータレンズ、及び回折光の所定位置での強度変化を検出する光検出器等を含んで構成されている。この光学式エンコーダでは、スケールの移動により所定位置で検出される回折光強度が周期的に変化する。この周期的変化は回折格子のピッチに関連付けることができるので、変化の周期と回折格子のピッチとからスケールの移動量（基準点からの変位量）を検出することができる。
【０００３】
例えば、特開昭６２−２００２２４号公報には、図２８に示す光学式エンコーダが記載されている。この光学式エンコーダでは、レーザ１から出射した光はコリメータレンズ２で平行光になり、ビームスプリッタ３を透過して移動する回折格子４に入射する。回折格子４によって回折された光はミラー５、５'で反射され、ビームスプリッタ３で再び重ね合わされて光検出器６で検出され、その強度変化によって回折格子４の移動量を知ることができる。しかしながら、図２８に示す構成では、ビームスプリッタやレンズ、ミラーなどを空間的に高精度に配置する必要がある。従って、製造が難しく、またサイズが大きいものにならざるを得ず、更にはコストも高いものであった。
【０００４】
また、例えば、特開平７−３０６０５８号公報には、図２９に示す光学式エンコーダが記載されている。この光学式エンコーダでは、装置の小型化のために光源として面発光レーザを使用している。面発光レーザはビームの出射角度が小さいため、コリメートレンズを必要とせず装置の小型化が可能である。面発光レーザ４１から出射したビームをリニアスケール４２で反射させ、反射光を光検出器４３₁の受光素子で受光する。又は、面発光レーザ４１から出射したビームをリニアスケール４２を透過させ、透過光を光検出器４３₂の受光素子で受光する。なお、図２９において、スケールからの反射光を検出する光検出器４３₁とスケールからの透過光を検出する光検出器４３₂は少なくともどちらか１つあればエンコーダとして動作する。この構成によれば、特開昭６２−２００２２４号公報に記載された光学式エンコーダに比べて部品点数を少なくでき、装置の小型化を実現することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、レーザ光強度をスケールの移動により変化させることを移動検出の原理とする従来型の光学式エンコーダには、検出される光強度がレーザ光源の出力光強度の変動、外光、スケールと検出器の位置ずれ等によって大きく変動し、正確な移動量を検出することができない、という重大な問題がある。例えば、スケールと検出器との距離が離れた場合には、検出器で検出される信号強度が低下し、正確な移動量を検出することが不可能となる。このため、従来型の光学式エンコーダは、高精度のアライメントや適切な遮光環境が必要である等、設計上の制約が多く、限定された用途又は環境下でなくては使用できなかった。
【０００６】
また、レーザ光強度の変化によって移動量を測定するため、スケールの移動方向を確定することは困難であった。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑み成されたものであり、本発明の目的は、耐ノイズ性及び汎用性に優れ、正確な移動量を検出することができる光学式エンコーダ及びエンコーダ用スケールを提供することにある。本発明の他の目的は、部品点数が少なく、小型化可能な光学式エンコーダ及びエンコーダ用スケールを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の光学式エンコーダは、入射されたレーザ光の偏光状態を各々異なる状態に変化させる複数の光学異方性部分を備え且つ前記光学異方性部分の異方性方位が周期的に変化するように前記複数の光学異方性部分が配列されたスケールと、該スケールにレーザ光を照射する光源、前記スケールを透過又は前記スケールで反射されたレーザ光を偏光方向が異なる２つの偏光成分に分離する偏光分離手段、及び該偏光分離手段により分離された各偏光成分毎に光強度を検出する光強度検出手段を備えた検出光学系と、が相対移動又は相対回転可能に配置された光学センサ部と、該光学センサ部の光強度検出手段で検出された各偏光成分の光強度比から得られる偏光角度又は光強度差の変化をスケールの異方性方位の変化に関連付けて、前記スケールの移動量を演算する移動量演算手段と、を備える構成としたことを特徴とする。
【０００９】
この光学式エンコーダでは、検出光学系において、光源からスケールに照射されたレーザ光は、スケールを透過又はスケールで反射され、透過又は反射されたレーザ光から偏光分離手段により所定偏光方向の偏光成分が分離され、光強度検出手段により分離された偏光成分の光強度が検出される。光学センサ部には上記検出光学系とスケールとが相対移動又は相対回転可能に配置されており、検出光学系とスケールとが相対移動又は相対回転すると、スケールの異方性方位の変化に応じて、例えばレーザ光の偏光方向が回転される等、入射されたレーザ光の偏光状態が異なる状態に変化される。
【００１０】
これに従い偏光分離手段により分離され光強度検出手段により検出される偏光成分の光強度が変化する。そして、移動量演算手段により、光学センサ部で検出された光強度の変化に基づいてスケールの移動量が演算される。偏光方向が異なる２つの偏光成分に分離する偏光分離手段を用いることで、光強度検出手段により偏光分離手段で分離された各偏光成分毎に光強度を検出し、移動量演算手段において、検出された各偏光成分の光強度比から得られる偏光角度又は光強度差の変化をスケールの異方性方位の分布に関連付けてスケールの移動量を演算する。２つに分離された各偏光成分の光強度の比や差をとることによりノイズ要因が除去され、高精度に移動量を検出することができる。なお、移動量演算手段は、光強度検出手段で検出された各偏光成分の光強度比から得られる偏光角度又は光強度差が周期的に変化する場合に、その偏光角度又は光強度比の変化の周期をスケールの異方性方位の分布の周期に関連付けてスケールの移動量を演算することができる。
【００１１】
本発明の光学式エンコーダでは、スケールによるレーザ光の偏光状態の変化量は、レーザ光源の出力光強度の変動、外光等のノイズ要因による変動を受け難いので、高精度のアライメントや適切な遮光環境が不要になり用途及び使用環境が拡大すると共に、正確な移動量の検出が可能になる。また、遮光部材が不要になる等、装置構成が簡単になり、装置の小型化を図ることができる。
【００１２】
上記の光学式エンコーダの光源としては、面発光レーザが好適である。面発光レーザを光源に用いた場合には、ビーム径の広がりを比較的小さく抑えることができるので、コリメータレンズや集光レンズが不要で部品点数が少なくなり、更に装置の小型化を図ることができる。
【００１３】
また、光源とスケールとの間には、所定偏光方向のレーザ光を通過させる偏光子を配置することが好ましい。レーザ光源から出射される光の偏光状態が変動した場合に、偏光子によりこの変動による影響を低減して、ノイズを低減する効果を得ることができる。
【００１４】
更に、光源とスケールとの間には、レーザ光を所定ビーム径に整形するアパーチャを配置することが好ましい。ビーム径及びスケール周期に応じて検出信号の振幅が変動する。光源から出射されるレーザ光のビーム径が変動した場合に、アパーチャにより所定ビーム径のレーザ光がスケールに照射されるようにして、振幅の変動を防止し、ノイズを低減する効果を得ることができる。
【００１５】
偏光分離手段としては、偏光ビームスプリッタ、偏光板、及び偏光フィルム等の入射光を偏光方向が異なる２つの偏光成分に分離する偏光分離素子を用いることができる。
【００１７】
上記の光学式エンコーダにおいては、スケールに複数のレーザ光による干渉光や回折光の干渉による多重干渉光を照射することができる。干渉光照射によりスケール表面に干渉縞が形成されるので、ビーム径の小さいレーサ光を照射した場合と同様に移動量検出に不要な光照射が低減され、検出信号のＳ／Ｎを向上させることができる。検出信号のＳ／Ｎを向上させるために、干渉縞のピッチは、スケール周期（光学異方性部分による異方性方位の変化の周期）の半周期の整数倍とすることが好ましい。
【００１８】
また、スケールにビーム内に偏光分布を有するレーザ光を照射する場合には、検出される光強度が最大になるようにスケールの異方性方位の変化に対してビーム径及び偏光分布を最適化して、検出信号のＳ／Ｎを向上させることができる。更に、ビーム内に偏光分布を有するレーザ光を、所定偏光方向のレーザ光を通過させる偏光子を通して照射する場合には、ビーム径の小さいレーサ光を照射した場合と同様に移動量検出に不要な光照射が低減され、更に検出信号のＳ／Ｎを向上させることができる。
【００１９】
スケールにおける光学異方性部分の配列は、スケールと検出光学系とが所定方向に移動又は回転される場合と該所定方向と逆の方向に移動又は回転される場合とで、検出される光強度の変化の態様が異なるように形成することができる。 これにより、検出される光強度の変化の態様によって移動又は回転の方向を特定することができる。
【００２０】
光学式エンコーダに使用されるスケールは、例えばレーザ光の偏光方向が回転される等、入射されたレーザ光の偏光状態を各々異なる状態に変化させる複数の光学異方性部分を備えると共に、前記光学異方性部分の変化が部分毎に光学異方性材料の厚さを変えて形成され、且つ前記光学異方性部分の異方性方位が周期的に変化するように前記複数の光学異方性部分が配列されたことを特徴とするものである。
【００２１】
光学異方性部位は、光照射により誘起された光誘起異方性を備えた部位とすることができる。光誘起異方性には光誘起複屈折と光誘起二色性とがある。
【００２２】
上記の光学異方性部分は、例えば、側鎖に光異性化する基を有する高分子化合物（高分子液晶も含む）を含む記録材料、又は光異性化する分子を分散させた高分子化合物を含む記録材料に、光照射により複屈折を誘起して形成することができる。高分子化合物としては、アゾベンゼン骨格を有するものが好ましく、ポリエステル群から選ばれた少なくとも１種のモノマー重合体がより好ましい。
【００２３】
光学異方性部分の配列は、例えば、偏光ホログラム記録により形成することができる。また、場所毎に光学異方性材料の厚さを変えて、光学異方性部分の配列を形成してもよい。
【００２４】
【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を詳細に説明する。
（第１の実施の形態 ―参考例―）
［光学式エンコーダの構成］
参考例に係る光学式エンコーダは、図１に示すように、所定の偏光方向の直線偏光を出力するレーザ光源１２を備えており、レーザ光源１２の光出射側には、レーザ光の偏光方向（偏光面）を回転させる複数の１／２波長板を備えた長尺状の透過型スケール１４、所定偏光方向の直線偏光を選択的に透過する検光子１６、及び検光子１６を透過したレーザ光の強度を検出する光検出器１８がこの順に配置されている。
【００２５】
透過型スケール１４は、レーザ光が略垂直に入射するように配置されると共に、駆動装置２２により制御される図示しない駆動機構を介してスケール長手方向に沿った矢印Ａ方向に移動可能に構成されている。また、光検出器１８は、光検出器１８の検出信号に基づいて移動量を演算する移動量演算装置２０に接続されている。移動量演算装置２０は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを備えたパーソナル・コンピュータで構成することができる。
【００２６】
レーザ光源１２は、基板表面からレーザ光を取り出すことができる面発光レーザで構成されている。面発光レーザは、開口形状の設計によりビーム径の広がりを比較的小さく抑えることができるので、コリメータレンズや集光レンズが不要で、装置の小型化、低コスト化に有利である。例えば、IEEE Photon. Technol. Lett., 11, 1539 (1999)に記載された面発光レーザ等を好適に用いることができる。
【００２７】
透過型スケール１４は、図２（Ａ）に示すように、１／２波長板の方位がスケールの長手方向に沿って周期的に変化するように、方位が異なる複数の１／２波長板を長手方向に沿って配列して構成されている。なお、図２（Ａ）には１周期分の１／２波長板の配列を示すが、スケールには複数周期分の１／２波長板が配列されている。このスケールでは、１／２波長板の方位が長手方向に沿って２２．５°ずつ左回りに連続的に回転するように、１周期当り９個の１／２波長板が配列されている。１／２波長板に入射される直線偏光の偏光方向が主軸からθのとき、出射される直線偏光の偏光方向は主軸から−θまで回転される。例えば、図２（Ａ）に示す透過型スケール１４を用いた場合、１／２波長板の各々に図２（Ｂ）に示す偏光方向の直線偏光を入射させると、各１／２波長板の方位に応じて直線偏光の偏光方向が回転され、図２（Ｃ）に示す偏光方向の直線偏光が射出される。
【００２８】
［透過型スケールの作製方法］
透過型スケール１４は、図３（Ａ）に示す、ガラス基板等の透明基板２４の一方の表面に、光誘起異方性（複屈折又は二色性）を示すと共に誘起された異方性を記録、保持可能な記録層２６が形成された記録媒体を用い、この記録媒体の記録層２６に１／２波長板が形成されるように光誘起異方性を記録して作製することができる。従って、上記の１／２波長板の方位とは、通常の１／２波長板における主軸の方位に相当するものであり、この光誘起異方性を記録するために照射される合成電場ベクトルの方位を意味している。
【００２９】
記録層２６を構成する記録材料としては、光誘起複屈折が高く、記録安定性にも優れたアゾベンゼン骨格を有する高分子（以下、「アゾポリマー」と称する。）が好適である。アゾベンゼンに直線偏光が照射されると、この直線偏光の偏光方向に配列したアゾベンゼンは下記に示すようにトランス−シス−トランスの光異性化サイクルを示す。
【００３０】
【化１】

【００３１】
トランス体が偏光方向と直交する方向に緩和した場合には、もはや光により励起されずその方位に安定にとどまる。このように、アゾベンゼンは照射光の偏光方向と直交する方向にトランス体が配向する。この配向によって複屈折及び二色性が誘起される。アゾポリマーの中でも、下記に示すような側鎖にアゾベンゼン骨格を有するポリエステルは、特に高い光誘起複屈折と安定性を有するため記録材料として好適である。
【００３２】
【化２】

【００３３】
上記の式中、Ｘはシアノ基、メチル基、メトキシ基、またはニトロ基を表し、Ｙはエーテル結合、ケトン結合、またはスルホン結合による２価の連結基を表す。また、ｌ及びｍは２から１８の整数、ｎは５から５００の整数を表す。
【００３４】
ここで、次の化学構造を有するアゾポリマーで構成された記録層（アゾポリマー層）に複屈折が誘起されて１／２波長板が形成され、誘起された複屈折が安定に記録、保持されることを示す。
【００３５】
【化３】

【００３６】
上述したように、アゾポリマーに感度を有する直線偏光のポンプ光を照射することにより複屈折が誘起される。誘起される複屈折の大きさは、アゾポリマーに感度の無い直線偏光のプローブ光を用いて調べることができる。ポンプ光には、例えば、アルゴンイオンレーザの発振線５１５ｎｍを用いることができる。また、プローブ光には、例えば、ヘリウムネオンレーザの発振線６３３ｎｍを用いることができる。
【００３７】
図４に、アゾポリマー層に記録された複屈折を測定するための光学系を示す。この光学系は、プローブ光３０の光路に沿って偏光子３２、測定対象である記録媒体２８、及び検光子３４がこの順に配置されると共に、偏光子３２の方位（０°）と検光子３４の方位（９０°）とが互いに直交するように構成されたクロスニコル光学系である。検光子３４の光出射側には、検光子３４を透過したプローブ光の強度を検出する光検出器３６が配置されている。
【００３８】
アゾポリマー層に異方性が誘起されていない場合には、偏光子３２を透過したプローブ光３０の偏向方向（０°）は回転されず、検光子３４を透過することができない。一方、４５°方位の直線偏光であるポンプ光３８をアゾポリマー層に照射すると、その方位に異方性が誘起される。この場合には、偏光子３２を透過したプローブ光３０の偏向方向（０°）は記録媒体２８により９０°回転され、検光子３４を透過する。この透過光の強度を光検出器３６で検出し、検出した透過光強度から光誘起複屈折の大きさを算出する。
【００３９】
図４に示す光学系を用いて、厚さが６μｍのアゾポリマー層にポンプ光３８としてアルゴンイオンレーザから４５°方位の直線偏光（発振線５１５ｎｍ、強度５Ｗ／ｃｍ²）を５秒間照射した。その後、ポンプ光を照射した部分に偏光子３２を透過させたプローブ光３０を照射し、検光子３４の方位を回転させながら、検光子３４を透過したプローブ光３０の強度を光検出器３６で測定した。その測定結果を図５に示す。横軸は検光子３４の方位であり、縦軸は検光子３４を透過したプローブ光の強度である。なお、縦軸の透過光強度は、任意単位(Arbitrary Unit、略号 a.u.) で表示している。黒丸はポンプ光照射前の透過光強度を示し、白丸はポンプ光照射後の透過光強度を示す。
【００４０】
図５から分かるように、ポンプ光照射前には、検光子４６の方位が０°又は１８０°のとき透過光強度が最大となり、検光子４６の方位が９０°又は２７０°のとき透過光強度が最小となる。これに対して、ポンプ光照射後には、検光子４６の方位が９０°又は２７０°のとき透過光強度が最大となり、検光子４６の方位が０°又は１８０°のとき透過光強度が最小となる。即ち、ポンプ光３８の照射部分では、アゾポリマー層に１／２波長板の機能が誘起されており、アゾポリマー層を透過するプローブ光の偏光方向が９０°回転される。
【００４１】
なお、１／２波長板の機能を誘起するためには、光誘起複屈折（光照射による複屈折の変化）Δｎは次式を満たす値をとる必要がある。ここで、ｄは記録層（アゾポリマー層）の厚さ、λはプローブ光の波長である。
【００４２】
【数１】

【００４３】
また、記録後のアゾポリマー層を室温で保存しておくと、自然光の下でも数週間以上にわたって光誘起複屈折Δｎが一定に保持されていることを確認した。
【００４４】
従って、アゾポリマー等の記録材料からなる記録層が形成された長尺状の記録媒体を用い、図２（Ａ）に示すように、方位が異なる複数の１／２波長板が配列されるように、上記と同様にして、場所毎に偏向方向の異なるポンプ光を順次照射して複屈折を多値変調記録し、上記の透過型スケール１４を作製することができる。
【００４５】
［光学式エンコーダの動作］
次に、図１に示す光学式エンコーダの動作について説明する。レーザ光源１２から所定の偏光方向を有する直線偏光として出力されたレーザ光は、光出射側に配置された透過型スケール１４に照射され、照射部分に形成された１／２波長板の方位に応じて偏光方向が所定角度回転される。透過型スケール１４が駆動装置２２により図示しない駆動機構を介して矢印Ａ方向に移動されると、図２（Ａ）〜（Ｃ）で説明した通り、長手方向に配列された１／２波長板の方位の変化に応じて透過光の偏光方向（偏光角度）が周期的に変化する。図２（Ａ）に示すように、１／２波長板の方位はスケールの長手方向に沿って連続的に回転しているので、スケールの移動によりあたかも１／２波長板が回転するように透過光の偏光方向が変化する。
【００４６】
そして、透過型スケール１４を透過したレーザ光のうち所定偏光方向の偏光成分（例えば、Ｐ偏光成分）だけが検光子１６を透過し、検光子１６を透過した偏光成分の強度が光検出器１８で検出される。ここで、透過型スケール１４を透過したレーザ光のノイズ要因による強度変動をΔｌとすると、検光子１６の光軸に対して角度θ傾いた偏光面を有するレーザ光の強度変動はΔｌ（ｃｏｓθ）²と小さくなる。検光子１６を透過する偏光成分の光強度は、スケールを透過したレーザ光の偏光角度に応じて変化するので、検出される光強度は透過型スケール１４の移動に伴い周期的に変化し、正弦波状の検出信号が移動量演算装置２０に出力される。透過型スケール１４が１周期移動すると、２周期分の信号が検出される。
【００４７】
移動量演算装置２０では、上記の検出信号に基づいて移動量を演算する。例えば、検出信号の信号波形から波数をカウントし、カウントした波数により下記式に従い透過型スケール１４の移動量を演算することができる。
【００４８】
【数２】

【００４９】
以上説明した通り、本実施の形態に係る光学式エンコーダでは、スケールの移動により透過光の偏光角度が周期的に変化し、光検出器で検出される光強度は偏光角度に応じて変化するので、検出される光強度の変化量はレーザ光源の出力光強度の変動、外光等のノイズ要因による変動を受け難く、正確な移動量を検出することができる。これにより、高精度のアライメントや適切な遮光環境が不要になり、多様な用途又は多様な環境下で使用することができると共に、装置の小型化を図ることができる。
【００５０】
また、光源にビーム径の広がりを比較的小さく抑えることができる面発光レーザを用いているので、コリメータレンズや集光レンズが不要で、更に装置の小型化、低コスト化を図ることができる。
【００５１】
更に、スケールの移動によりレーザ光強度を変化させて移動量を検出する従来型の光学式エンコーダでは、スケールが１周期分移動した場合に１周期分の信号しか検出されないが、本実施の形態では、スケールが１周期分移動した場合に２周期分の信号が検出されるので、高分解能化が実現できる。
【００５２】
（第２の実施の形態）
［光学式エンコーダの構成］
第２の実施の形態に係る光学式エンコーダは、図６に示すように、透過型スケールを透過したレーザ光を電場ベクトルが互いに直交する２光波に分離して、各光波を光検出器で各々検出する構成とした以外は、第１の実施の形態に係る光学式エンコーダと同様の構成であるため、同一部分については同じ符号を付して説明を省略する。
【００５３】
この光学式エンコーダでは、透過型スケール１４の光出射側に、透過光と反射光とが電場ベクトルが互いに直交する偏光となるように入射されたレーザ光を２光波（例えば、Ｓ偏光とＰ偏光）に分離する偏光ビームスプリッタ４０が配置されている。以下、Ｐ偏光成分を透過させると共にＳ偏光成分を反射する場合について説明する。
【００５４】
偏光ビームスプリッタ４０の透過光出射側には、Ｐ偏光成分の強度を検出する光検出器１８ｐが配置され、偏光ビームスプリッタ４０の反射光出射側には、Ｓ偏光成分の強度を検出する光検出器１８ｓが配置されている。また、光検出器１８ｓ及び光検出器１８ｐの各々は、各光検出器の検出信号に基づいて移動量を演算する移動量演算装置２０に接続されている。
【００５５】
［光学式エンコーダの動作］
次に、図６に示す光学式エンコーダの動作について説明する。レーザ光源１２から所定の偏光方向を有する直線偏光として出力されたレーザ光は、光出射側に配置された透過型スケール１４に照射され、照射部分に形成された１／２波長板の方位に応じて偏光方向が所定角度回転される。透過型スケール１４が駆動装置２２により図示しない駆動機構を介して矢印Ａ方向に移動されると、図２（Ａ）〜（Ｃ）で説明した通り、長手方向に配列された１／２波長板の方位の変化に応じて透過光の偏光角度が周期的に変化する。
【００５６】
そして、透過型スケール１４を透過したレーザ光は、偏光ビームスプリッタ４０によりＳ偏光成分とＰ偏光成分とに分離され、Ｓ偏光成分の強度Ｉｓが光検出器１８ｓで検出されると共にＰ偏光成分の強度Ｉｐが光検出器１８ｐで検出される。所定偏光方向の偏光成分の光強度はスケールを透過したレーザ光の偏光角度に応じて変化するので、光強度Ｉｓ、Ｉｐの各々は透過型スケール１４の移動に伴い周期的に変化する。これにより、光検出器１８ｓから正弦波状の検出信号１（強度Ｉｓの変化を表す）が移動量演算装置２０に出力されると共に、光検出器１８ｐからは検出信号１との位相差がπの正弦波状の検出信号２（強度Ｉｐの変化を表す）が移動量演算装置２０に出力される。透過型スケール１４が１周期だけ移動すると、光強度Ｉｓ、Ｉｐの各々について２周期分の信号が検出される。
【００５７】
移動量演算装置２０では、上記の検出信号１及び検出信号２に基づいて移動量を演算する。まず、検出信号１及び検出信号２を用いてノイズが除去された第３の信号を得る。その後は、例えば、第３の信号の信号波形から波数をカウントして移動量を演算する等、第１の実施の形態と同様にして透過型スケール１４の移動量を演算することができる。また、移動量を演算する際に、特開平１０−１９０１４８号公報等に記載されているように、得られた検出信号を内挿回路を用いて電気的に分割する手法を用いることにより、高分解能化を図ることができる。
【００５８】
ノイズを除去する方法としては、透過型スケール１４を透過した光の偏光角度θを求める方法がある。透過光の偏光角度θは下記の数式の関係から求めることができる。発光源の偏光が変動したり、アライメントずれによって光信号強度が変動したりしても、その影響はＳ偏光成分の強度ＩｓとＰ偏光成分の強度Ｉｐの両方に反映されるため、下記式から得られる偏光角度θは変化しない。従って、この偏光角度θを用いることにより、高精度な移動量検出が可能となる。
【００５９】
【数３】

【００６０】
また、ノイズを除去する別の方法として、Ｓ偏光成分の強度ＩｓとＰ偏光成分の強度Ｉｐの差を求める方法がある。外光などのノイズ信号により強度Ｉｓと強度Ｉｐとが同じ程度に影響された場合には、差分Ｉｓ−Ｉｐを求めることによりノイズ要因を除去することができる。この差分Ｉｓ−Ｉｐを用いることにより、高精度な移動量検出が可能となる。
【００６１】
［計算機実験によるノイズ除去効果］
図６に示す光学式エンコーダにおいて、レーザ光源１２から出射される直線偏光をＰ偏光とすると、光検出器１８ｓ、１８ｐで検出されるレーザ光の偏光状態はそれぞれＳ偏光（強度Ｉｓ）、Ｐ偏光（強度Ｉｐ）となる。計算機実験により、スケールが１周期移動した際に、レーザ光源１２の出力光強度がランダムに変動した場合における、Ｉｐ、Ｉｓと偏光角度θの変化を調べた。その結果を図７に示す。なお、レーザ光源１２から出力される光の偏光方向は不変である。
【００６２】
図７より、偏光角度θでは、Ｉｐ、Ｉｓに見られるノイズが完全に除去された理想的な信号波形となり、０≦θ≦π／２において略直線となっている。次に、偏光角度θに基づいて演算した移動量、及びＰ偏光成分の強度Ｉｐの値に基づいて演算した移動量と、実際の移動量との相関を図８に示す。図８から、強度Ｉｐの値に基づいて移動量を演算した場合には移動量が増加するに従い誤差が大きくなるが、偏光角度θに基づく場合には移動量を非常に正確に測定できることがわかる。
【００６３】
また、計算機実験により、スケールが１周期移動した際に、光検出器１８ｓ、１８ｐで同じ強度のノイズが検出された場合における、強度Ｉｐ、Ｉｓとその差分Ｉｓ−Ｉｐの変化を調べた。その結果を図９に示す。図９より、差分Ｉｓ−Ｉｐでは、Ｉｐ、Ｉｓに見られるノイズが完全に除去された理想的な信号波形となっている。次に、差分Ｉｓ−Ｉｐに基づいて演算した移動量、及び強度Ｉｐの値に基づいて演算した移動量と、実際の移動量との相関を図１０に示す。図１０から、強度Ｉｐの値に基づいて移動量を演算した場合には移動量が少ないときに誤差が大きくなるが、差分Ｉｓ−Ｉｐに基づく場合には移動量を非常に正確に測定できることがわかる。
【００６４】
［光源の出力光強度が変動した場合のノイズ除去効果］
図６に示す光学式エンコーダにおいて、レーザ光源１２と偏光ビームスプリッタ４０との間の光路中に、光強度をランダムに変更できるＮＤフィルタを設置し、スケールが移動する際にＮＤフィルタによりレーザ光強度をランダムに変化させた。この状況は、発光源のレーザ光強度のみが変動し、偏光状態は変化しない状況と同等であり、光源の出力光強度が変動した場合のノイズを意図的に作り出したものである。上記と同様に、レーザ光源１２から出射される直線偏光はＰ偏光、光検出器１８ｓ、１８ｐで検出されるレーザ光の偏光状態はそれぞれＳ偏光（強度Ｉｓ）、Ｐ偏光（強度Ｉｐ）である。
【００６５】
図１１に、光検出器で検出された信号波形の１周期におけるスケールの移動量と、強度Ｉｓ、Ｉｐ、及び偏光角度θの各々との関係を示す。図１１から分かるように、強度Ｉｓ、Ｉｐにはノイズにより歪みが生じているが、偏光角度θではその歪が大きく低減されている。
【００６６】
図１２に、偏光角度θに基づいて演算された移動量、及び強度Ｉｐに基づいて演算された移動量と、実際の移動量との相関を示す。図１２から分かるように、偏光角度θから移動量を求めた方が精度良く移動量を検出できる。従って、２つの検出信号（強度Ｉｐ及び強度Ｉｓに対応した信号）を利用することによりノイズを除去することができ、高精度な移動量の測定が可能である。
【００６７】
［外光が侵入する場合のノイズ除去効果］
図６に示す光学式エンコーダにおいて、光検出器１８ｓ、１８ｐの上流側にインコヒーレント光を出力する露光機器を配置し、スケールが移動する際にインコヒーレント光が光検出器１８ｓ、１８ｐにランダムに侵入するようにした。即ち、スケールの移動量測定中に外光ノイズによって影響された状況を意図的に作り出したものである。上記と同様に、レーザ光源１２から出射される直線偏光はＰ偏光、光検出器１８ｓ、１８ｐで検出されるレーザ光の偏光状態はそれぞれＳ偏光（強度Ｉｓ）、Ｐ偏光（強度Ｉｐ）である。
【００６８】
図１３に、光検出器で検出された信号波形の１周期におけるスケールの移動量と、強度Ｉｓ、Ｉｐ、及びその差分Ｉｓ−Ｉｐの各々との関係を示す。図１３から分かるように、強度Ｉｓ、Ｉｐにはノイズにより歪みが生じているが、差分Ｉｓ−Ｉｐではその歪が大きく低減されている。
【００６９】
図１４に、差分Ｉｓ−Ｉｐに基づいて演算された移動量、及び強度Ｉｐに基づいて演算された移動量と、実際の移動量との相関を示す。図１４から分かるように、差分Ｉｓ−Ｉｐから移動量を求めた方が精度良く移動量を検出できる。従って、２つの検出信号（強度Ｉｐ及び強度Ｉｓに対応した信号）を利用することによりノイズを除去することができ、高精度な移動量の測定が可能である。
【００７０】
以上説明した通り、本実施の形態に係る光学式エンコーダでは、第１の実施の形態と同様の効果が得られる外、スケール透過光の偏光角度を求める、スケール透過光のＳ偏光成分の強度ＩｓとＰ偏光成分の強度Ｉｐの差を求める等して、ノイズ要因が除去された周期的な信号を得ることができるので、この信号に基づいてより高精度に移動量を検出することができる。
【００７１】
［他の偏光分離方法］
上記では、偏光ビームスプリッタによりスケールを透過したレーザ光をＳ偏光成分とＰ偏光成分とに分離して検出したが、光軸（透過軸）の方位が直交する２つの検光子を用いてＳ偏光とＰ偏光とを別々に検出することができる。図１５（Ａ）及び（Ｂ）に、この場合の光学式エンコーダの構成例を示す。
【００７２】
図１５（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、透過型スケール１４の光出射側には、光軸の方位が０°の検光子１６ｓと光軸の方位が９０°の検光子１６ｐとが、スケール１４を透過したレーザ光が両方に略均等に照射されるように隣接して配置されている。また、検光子１６ｓの光出射側には光検出器１８ｓが配置されると共に、検光子１６ｐの光出射側には光検出器１８ｐが配置されている。
【００７３】
この構成では、Ｓ偏光が検光子１６ｓを透過し、その強度が光検出器１８ｓで検出されると共に、Ｐ偏光が検光子１６ｐを透過し、その強度が光検出器１８ｐで検出される。即ち、Ｓ偏光とＰ偏光の光強度が各々別々に検出される。
【００７４】
（第３の実施の形態 ―参考例―）
［光学式エンコーダの構成］
参考例に係る光学式エンコーダは、図１６（Ａ）に示すように、反射型スケールを用い、反射型スケールの光反射側に検光子及び光検出器を配置した以外は、第１の実施の形態に係る光学式エンコーダと同様の構成であるため、同一部分については同じ符号を付して説明を省略する。
【００７５】
この光学式エンコーダでは、レーザ光源１２の光出射側に、レーザ光の偏光方向（偏光面）を回転させる複数の１／４波長板を備えた長尺状の反射型スケール４４が配置されている。反射型スケール４４による反射光の光路上には、所定偏光方向の直線偏光を選択的に透過する検光子１６、及び検光子１６を透過したレーザ光の強度を検出する光検出器１８がこの順に配置されている。反射型スケール１４は、入射光が入射方向とは異なる方向に反射されるように、レーザ光源１２の光出射方向に対し所定角度傾けて配置されると共に、駆動装置２２により制御される図示しない駆動機構を介してスケール長手方向に沿った矢印Ａ方向に移動可能に構成されている。また、光検出器１８は、光検出器１８の検出信号に基づいて移動量を演算する移動量演算装置２０に接続されている。
【００７６】
反射型スケール４４は、図１６（Ｂ）に示すように、１／４波長板の方位がスケールの長手方向に沿って周期的に変化するように、方位が異なる複数の１／４波長板を長手方向に沿って配列して構成されている。このスケールでは、１／４波長板の方位が長手方向に沿って２２．５°ずつ左回りに連続的に回転するように、１周期当り９個の１／４波長板が配列されている。なお、図１６（Ｂ）には１周期分の１／４波長板の配列を示すが、スケールには複数周期分の１／４波長板が配列されている。後述する通り、反射型スケールの場合には、スケールに入射したレーザ光は反射により１／４波長板を２度通過するため、１／４波長板は結果的に１／２波長板として機能する。
【００７７】
この反射型スケール４４は、図３（Ｂ）に示す、金属等の反射部材４６の一方の表面に、光誘起異方性を示すと共に誘起された異方性を記録、保持可能な記録層４８が形成された記録媒体を用い、この記録媒体の記録層４８に１／４波長板が形成されるように光誘起異方性を記録して作製することができる。記録層４８を構成する記録材料としては、透過型スケールと同様にアゾポリマーが好適である。また、透過型スケールの場合と同様の方法により、アゾポリマーで構成された記録層４８に光誘起異方性を記録することができる。
【００７８】
このとき１／４波長板の機能を誘起するためには、光誘起複屈折Δｎは次式を満たす値をとる必要がある。ここで、ｄは記録層（アゾポリマー層）の厚さ、λはプローブ光の波長である。
【００７９】
【数４】

【００８０】
上記の式から分かるように、例えば、記録層の厚さｄを半分にすると共に、他の条件を透過型スケールを作製する場合と同じにすれば、記録層に１／４波長板の機能が誘起される。なお、前記した通り、反射型スケールの場合には、１／４波長板は結果的に１／２波長板として機能する。
【００８１】
［光学式エンコーダの動作］
次に、図１６（Ａ）に示す光学式エンコーダの動作について説明する。レーザ光源１２から所定の偏光方向を有する直線偏光として出力されたレーザ光は、光出射側に配置された反射型スケール４４に照射される。反射型スケール４４の記録層４８側から入射したレーザ光は、記録層４８を通過して反射部材４６の表面で反射され、再度、記録層４８を通過して射出される。照射部分に形成された１／４波長板の方位に応じて、反射型スケール４４に入射されたレーザ光の偏光方向が所定角度回転される。反射型スケール４４が駆動装置２２により図示しない駆動機構を介して矢印Ａ方向に移動されると、透過型スケールを用いた場合と同様に、長手方向に配列された１／４波長板の方位の変化に応じて反射光の偏光角度が周期的に変化する。
【００８２】
そして、反射型スケール４４で反射されたレーザ光のうち所定偏光方向の偏光成分（例えば、Ｐ偏光成分）だけが検光子１６を透過し、その強度が光検出器１８で検出される。検光子１６を透過する偏光成分の光強度は、スケールで反射されたレーザ光の偏光角度に応じて変化するので、検出される光強度は反射型スケール４４の移動に伴い周期的に変化し、正弦波状の検出信号が移動量演算装置２０に出力される。反射型スケール４４が１周期移動すると、２周期分の信号が検出される。移動量演算装置２０では、上記の検出信号に基づいて移動量を演算する。
【００８３】
以上説明した通り、本実施の形態に係る光学式エンコーダでは、スケールの移動により反射光の偏光角度が周期的に変化し、光検出器で検出される光強度は偏光角度に応じて変化するので、検出される光強度の変化量はレーザ光源の出力光強度の変動、外光等のノイズ要因による変動を受け難く、正確な移動量を検出することができる。これにより、高精度のアライメントや適切な遮光環境が不要になり、多様な用途又は多様な環境下で使用することができると共に、装置の小型化を図ることができる。
【００８４】
また、光源にビーム径の広がりを比較的小さく抑えることができる面発光レーザを用いているので、コリメータレンズや集光レンズが不要で、更に装置の小型化、低コスト化を図ることができる。
【００８５】
更に、スケールの移動によりレーザ光強度を変化させて移動量を検出する従来型の光学式エンコーダでは、スケールが１周期分移動した場合に１周期分の信号しか検出されないが、本実施の形態では、スケールが１周期分移動した場合に２周期分の信号が検出されるので、高分解能化が実現できる。
【００８６】
（第４の実施の形態）
［光学式エンコーダの構成］
第４の実施の形態に係る光学式エンコーダは、図１７に示すように、反射型スケールを用い、反射型スケールの光出射側に偏光ビームスプリッタ及び光検出器を配置した以外は、図６に示す第２の実施の形態に係る光学式エンコーダと同様の構成であるため、同一部分については同じ符号を付して説明を省略する。
【００８７】
［光学式エンコーダの動作］
次に、図１７に示す光学式エンコーダの動作について説明する。レーザ光源１２から所定の偏光方向を有する直線偏光として出力されたレーザ光は、光出射側に配置された反射型スケール４４に照射され、照射部分に形成された１／４波長板の方位に応じて、入射されたレーザ光の偏光方向が所定角度回転される。反射型スケール４４が駆動装置２２により図示しない駆動機構を介して矢印Ａ方向に移動されると、長手方向に配列された１／４波長板の方位の変化に応じて反射光の偏光角度が周期的に変化する。
【００８８】
そして、反射型スケール４４で反射されたレーザ光は、偏光ビームスプリッタ４０によりＳ偏光成分とＰ偏光成分とに分離され、Ｓ偏光成分の強度Ｉｓが光検出器１８ｓで検出されると共にＰ偏光成分の強度Ｉｐが光検出器１８ｐで検出される。所定偏光方向の偏光成分の光強度は偏光角度に応じて変化するので、光強度Ｉｓ、Ｉｐの各々は反射型スケール４４の移動に伴い周期的に変化し、光検出器１８ｓから強度Ｉｓの検出信号１が、光検出器１８ｐから強度Ｉｐの検出信号２が移動量演算装置２０に各々出力される。反射型スケール４４が１周期移動すると、光強度Ｉｓ、Ｉｐの各々について２周期分の信号が検出される。
【００８９】
移動量演算装置２０では、上記の検出信号１及び検出信号２に基づいて移動量を演算する。まず、検出信号１及び検出信号２を用いてノイズが除去された第３の信号を得る。第２の実施の形態と同様に、偏光角度θを求める方法（透過光は反射光と読み替えて適用する）、Ｓ偏光成分の強度ＩｓとＰ偏光成分の強度Ｉｐの差を求める方法等を用いてノイズを除去した第３の信号を得ることができる。その後は、第２の実施の形態と同様にして、第３の信号に基づいてスケールの移動量を演算することができる。
【００９０】
また、図１８（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、反射型スケール４４の光出射側に光軸の方位が直交する検光子１６ｓと検光子１６ｐとを配置し、反射型スケール４４で反射されたレーザ光からＳ偏光とＰ偏光とを別々に検出するようにしてもよい。
【００９１】
以上説明した通り、本実施の形態に係る光学式エンコーダでは、第３の実施の形態と同様の効果が得られる外、スケール反射光の偏光角度を求める、スケール反射光のＳ偏光成分の強度ＩｓとＰ偏光成分の強度Ｉｐの差を求める等して、ノイズ要因が除去された周期的な信号を得ることができるので、この信号に基づいてより高精度に移動量を検出することができる。
【００９２】
（第５の実施の形態）
第５の実施の形態に係る光学式エンコーダは、図１に示す第１の実施の形態に係る光学式エンコーダの構成において、１／２波長板の配列が異なる透過型スケールを使用したものである。
【００９３】
この透過型スケールには、図１９（Ａ）に示すように、１／２波長板の方位が長手方向に沿って１５°ずつ右回りに回転するように、１周期当り７個の１／２波長板が配列されている。なお、図１９（Ａ）には１周期分の１／２波長板の配列を示すが、スケールには複数周期分の１／２波長板が配列されている。このスケールでは１／２波長板の方位は連続的に回転しておらず、次の周期の移る際に１／２波長板の方位は９０°回転する。
【００９４】
この透過型スケールを用いて、スケールに対しレーザ光が矢印Ｂ方向に相対移動するようにレーザ光を照射した場合には、検光子１６を透過後に光検出器１８で検出される光強度は、図１９（Ｂ）に示すように、透過型スケール１４の移動に伴いノコギリ波状に変化する。一方、スケールに対しレーザ光が矢印Ｂ方向と反対の方向に相対移動するようにレーザ光を照射した場合には、異なる信号波形が検出される。従って、この信号波形の相違を利用してスケールの移動方向を区別することができる。
【００９５】
以上説明した通り、本実施の形態に係る光学式エンコーダでは、第１の実施の形態に係る光学式エンコーダと同様の効果が得られる外、スケールの移動に伴う光強度の変化量を検出することにより、スケールの移動量と共に移動方向も知ることができる。
【００９６】
また、複数の１／４波長板が同様に配列された反射型スケールを作製することもできる。例えば、第３の実施の形態に係る光学式エンコーダ等にこの反射型スケールを用いることにより、同様の効果を得ることができる。
【００９７】
（第６の実施の形態）
第６の実施の形態に係る光学式エンコーダは、図２０に示すように、レーザ光源と透過型スケールとの間に偏光変調素子を配置した以外は、図６に示す第２の実施の形態に係る光学式エンコーダと同様の構成であるため、同一部分については同じ符号を付して説明を省略する。
【００９８】
この光学式エンコーダでは、レーザ光源１２と透過型スケール１４との間に、レーザ光の偏光方向を回転させる複数の１／２波長板を備えた長尺状の偏光変調素子５０が、その長手方向がスケール移動方向（矢印Ａ方向）と略一致するように固定配置されている。偏光変調素子５０は、透過型スケール１４と同様、図２（Ａ）に示すように、１／２波長板の方位がスケールの長手方向に沿って周期的に変化するように、方位が異なる複数の１／２波長板を長手方向に沿って配列して構成されている。なお、図２（Ａ）には１周期分の１／２波長板の配列を示すが、スケールには複数周期分の１／２波長板が配列されている。このスケールでは、１／２波長板の方位が長手方向に沿って２２．５°ずつ左回りに連続的に回転するように、１周期当り９個の１／２波長板が配列されている。
【００９９】
レーザ光源１２から所定の偏光方向を有する直線偏光として出力されたレーザ光は、偏光変調素子５０に入射され、入射部分に形成された１／２波長板の方位に応じて偏光方向が所定角度回転される。レーザ光の入射部分には複数の１／２波長板が形成されているので、偏光変調素子５０からは偏光分布（複数の偏光状態）を有するレーザ光が出射されて、透過型スケール１４に照射される。そして、透過型スケール１４の矢印Ａ方向への移動に伴い、スケールの長手方向に配列された１／２波長板の方位の変化に応じて、透過光の偏光角度が周期的に変化する。
【０１００】
偏光変調素子５０の１／２波長板の方位の変化周期Λ´を透過型スケール１４の１／２波長板の方位の変化周期Λと同一とすると共に、スケールに照射されるレーザ光のビーム径ｄが下記式を満たすことにより、検出される光強度が最大となり、光検出器１８ｓ、１８ｐで検出される信号のＳ／Ｎが向上する。従って、第２の実施の形態に係る光学式エンコーダと同様の効果が得られる外、検出信号のＳ／Ｎが向上することにより、更に高精度での移動量の検出が可能となる。
【０１０１】
【数５】

【０１０２】
（第７の実施の形態）
第７の実施の形態に係る光学式エンコーダは、図２１に示すように、透過型スケールと偏光変調素子との間に偏光素子を配置した以外は、図２０に示す第６の実施の形態に係る光学式エンコーダと同様の構成であるため、同一部分については同じ符号を付して説明を省略する。
【０１０３】
この光学式エンコーダでは、偏光変調素子５０と透過型スケール１４との間には、所定偏光方向の直線偏光を選択的に透過する偏光素子５２が配置されている。レーザ光源１２から所定の偏光方向を有する直線偏光として出力されたレーザ光は、偏光変調素子５０に入射され、入射部分に形成された１／２波長板の方位に応じて偏光方向が所定角度回転される。レーザ光の入射部分には複数の１／２波長板が形成されているので、偏光変調素子５０からは偏光分布を有するレーザ光が出射される。偏光変調素子５０から出射されたレーザ光のうち所定偏光方向の偏光成分（例えば、Ｓ偏光成分）だけが偏光素子５２を透過して、透過型スケール１４に照射される。即ち、光源から所定ビーム径で出射されたレーザ光は、より細かいビーム径を有するレーザ光の束となり、透過型スケール１４に照射される。そして、透過型スケール１４の矢印Ａ方向への移動に伴い、スケールの長手方向に配列された１／２波長板の方位の変化に応じて、透過光の偏光角度が周期的に変化する。
【０１０４】
偏光変調素子５０の１／２波長板の方位の変化周期Λ´を透過型スケール１４の１／２波長板の方位の変化周期Λの２倍にすると共に、スケールに照射されるレーザ光のビーム径ｄが第６の実施の形態と同じ上記の式を満たすことにより、検出される光強度が最大となり、光検出器１８ｓ、１８ｐで検出される信号のＳ／Ｎが向上する。従って、第２の実施の形態に係る光学式エンコーダと同様の効果が得られる外、検出信号のＳ／Ｎが向上することにより、更に高精度での移動量の検出が可能となる。
【０１０５】
（第８の実施の形態）
第８の実施の形態に係る光学式エンコーダは、図２２に示すように、複数のレーザ光を干渉させ、得られた干渉光を透過型スケールに照射する構成とした以外は、図６に示す第２の実施の形態に係る光学式エンコーダと同様の構成であるため、同一部分については同じ符号を付して説明を省略する。
【０１０６】
この光学式エンコーダでは、図示は省略するが、所定の偏光方向の直線偏光を出力するレーザ光源を備えており、レーザ光源から出射されたレーザ光は、ビームスプリッタ等の分離光学素子によりレーザ光５３及びレーザ光５４の２光波に分離されている。また、図示しない光学系により、レーザ光５３とレーザ光５４とが交差するように構成されている。
【０１０７】
レーザ光５３とレーザ光５４とが交差すると、この２光波が干渉し、干渉光が透過型スケール１４の同一部分に照射される。透過型スケール１４の表面では、尖鋭な強度分布を有する干渉縞が形成され、ビーム径の小さいレーサ光を複数並列に照射したのと同様の効果を得ることができる。
【０１０８】
このように、照射されるレーザ光のビーム径を小さくすることにより、移動量検出に不要な光照射量を低減してＳ／Ｎの大きな信号を検出することができる。従って、第２の実施の形態に係る光学式エンコーダと同様の効果が得られる外、検出信号のＳ／Ｎを向上させることにより、更に高精度での移動量の検出が可能となる。検出信号のＳ／Ｎを向上させるために、干渉縞のピッチはスケール半周期の整数倍とすることが好ましい。
【０１０９】
なお、上記では２光波を交差させて干渉縞を形成したが、３以上の光波を交差させて干渉縞を形成してもよい。
【０１１０】
（第９の実施の形態）
第９の実施の形態に係る光学式エンコーダは、図２３に示すように、回折格子で回折させたレーザ光を干渉させ、得られた干渉光（多重干渉光）を透過型スケールに照射する構成とした以外は、図６に示す第２の実施の形態に係る光学式エンコーダと同様の構成であるため、同一部分については同じ符号を付して説明を省略する。
【０１１１】
この光学式エンコーダでは、レーザ光源１２と透過型スケール１４との間に、透過型の回折格子５５が配置されている。レーザ光源１２から所定の偏光方向を有する直線偏光として出力されたレーザ光は、回折格子５５により所定方向に回折される。回折格子５５を透過した回折光は多重干渉し、この干渉光が透過型スケール１４に照射される。透過型スケール１４の表面では、尖鋭な強度分布を有する干渉縞が形成され、ビーム径の小さいレーサ光を複数並列に照射したのと同様の効果を得ることができる。
【０１１２】
このように、照射されるレーザ光のビーム径を小さくすることにより、移動量検出に不要な光照射量を低減してＳ／Ｎの大きな信号を検出することができる。従って、第２の実施の形態に係る光学式エンコーダと同様の効果が得られる外、検出信号のＳ／Ｎを向上させることにより、更に高精度での移動量の検出が可能となる。検出信号のＳ／Ｎを向上させるために、干渉縞のピッチはスケール半周期の整数倍とすることが好ましい。
【０１１３】
以下に、本発明の好適な実施の態様や他の実施の態様等について説明する。
【０１１４】
上記の第１〜第９の実施の形態に係る光学式エンコーダにおいて、レーザ光源とスケールとの間に偏光子を配置することが好ましい。レーザ光源から出射される光の偏光状態が変動する場合に、偏向子によりこの変動による影響を低減して、ノイズを低減することができる。また、レーザ光源とスケールとの間にアパーチャを配置することが好ましい。ビーム径及びスケール周期に応じて検出信号の振幅が変動する。光源から出射されるレーザ光のビーム径が変動する場合に、アパーチャにより所定ビーム径のレーザ光がスケールに照射されるようにして検出信号の振幅の変動を防止し、ノイズを低減することができる。
【０１１５】
上記の第１〜第９の実施の形態では、直線偏光であるレーザ光をスケールに照射する例について説明したが、円偏光・楕円偏光をスケールに照射してもよい。この場合には、１／４波長板を備えたスケールを用いて直線偏光に変換する。
【０１１６】
上記の第１〜第９の実施の形態では、レーザ光源に面発光レーザを用いる例について説明したが、従来の光学式エンコーダの光源に使用されている一般のレーザ光源を用いてもよい。
【０１１７】
上記の第１〜第９の実施の形態では、レーザ光の偏光方向を回転させる１／２波長板、１／４波長板を備えたスケールを用いる例について説明したが、使用可能なスケールはこれに限定されず、スケールによる偏光状態の変化を光強度の変化として検出することが可能であればどのようなスケールを用いてもよい。ここで、偏光状態とは、光の進行方向から見た電場の変化の形状（直線偏光、円偏光、楕円偏光）及び偏光方向で表される光の偏光の状態をいう。
【０１１８】
上記の第１〜第９の実施の形態では、方位が異なる複数の波長板をその方位が周期的に変化するように配列したスケールを用いる例について説明したが、スケール移動による偏光状態の変化量に基づいてスケールの移動量を一意的に求めることができれば、方位が周期的に変化する必要は無い。また、方位が異なる複数の波長板をその方位が連続的に変化するように配列してもよく、また不連続に変化するように配列してもよい。更に、方位の異なる波長板の個数は特に制限が無い（但し、複数）。例えば、方位が異なる２種類の波長板を交互に配列して偏光状態を２値変調してもよく、方位が異なる多数の波長板を配列して偏光状態を多値変調してもよい。
【０１１９】
上記の第１〜第９の実施の形態では、リニアスケールを用いた光学式リニアエンコーダについて説明したが、光源に対して相対的に回転するディスク状スケールを用いてスケールの回転量を測定するロータリーエンコーダにも本発明を適用することができる。
【０１２０】
上記の第１〜第９の実施の形態では、スケールが駆動装置により所定方向に移動する例について説明したが、スケールはレーザ光源に対して相対的に移動すればよく、スケールを固定配置してレーザ光源を移動させてもよい。この場合、スケールで偏光変調されたレーザ光が光検出器で検出されるように、光検出器等もレーザ光源に伴い移動させる必要がある。
【０１２１】
上記の第１〜第９の実施の形態では、１個のスケールに対しレーザ光源及び光検出器を含む検出光学系を配置する例について説明したが、１個のスケールに対し複数の検出光学系を配置することもできる。
【０１２２】
上記の第１〜第９の実施の形態では、アゾポリマー層を備えた記録媒体に場所毎に偏向方向の異なるポンプ光を順次照射して複屈折を多値変調記録してスケールを作製する例について説明したが、以下にアゾポリマー層を備えた記録媒体に複屈折を多値変調記録する他の方法について説明する。
【０１２３】
第１の方法は、原盤縮小露光によるリソグラフィ・プロセスの手法を複屈折記録へ応用し、記録媒体に場所毎に偏向方向が異なるポンプ光を１度に照射して複屈折を多値変調記録する方法である。
【０１２４】
図２４に、複数の偏光方位を持つポンプ光を照射するための光学系を示す。この光学系では、レーザ光源５６から出力されたレーザ光は、コリメータレンズ５８、６０により広い口径の平行光とされ、空間偏光変調器６２に入射される。空間偏光変調器６２は、画素毎に入射光の偏光方向を任意に回転することができる１／２波長板の機能を備えているので、空間偏光変調器６２により偏光が変調される。
【０１２５】
例えば、図２４（Ｂ）に示すように主軸の方位が変化する複数の１／２波長板を備えた空間偏光変調器を用いた場合、空間偏光変調器に図２４（Ｃ）に示す偏光方向の直線偏光を入射させると、各１／２波長板の主軸の方位に応じて直線偏光の偏光方向が回転され、図２４（Ｄ）に示す偏光分布のポンプ光が出射される。出射されたレーザ光（ポンプ光）は、レンズ６４、６６により記録媒体６８のアゾポリマー層表面に結像され、複屈折が多値変調記録される。
【０１２６】
ポンプ光には、例えば、アゾポリマーに感度を有するアルゴンイオンレーザの発振線４８８ｎｍや発振線５１５ｎｍを用いることができる。また、空間偏光変調器６２としては、例えば、液晶プロジェクター用の液晶パネルを利用することができる。但し、出射側の偏光フィルムを取り外して使用することで、偏光のみを変調することが可能となる。なお、１／２波長板の機能を誘起するためには、前述した通り、露光条件を調整して所定の値の複屈折を誘起する必要が有る。
【０１２７】
上記した通り、記録媒体に偏向分布を有するポンプ光を１度に照射して複屈折を多値変調記録することにより、一度の露光でスケールを作製することができる。また、場所毎に偏向方向の異なるポンプ光を順次照射して複屈折を記録する場合に比べ、複屈折を高精度で記録することができる。更に、空間変更変調器に入力するパターンを変更することにより、種々の偏光分布を有するスケールを作製することができる。
【０１２８】
図２４（Ａ）に示す光学系を用いてスケールを作製した例を以下に示す。レーザ光源５６には発振線５１５ｎｍのアルゴンイオンレーザを用い、その光強度を５Ｗ／ｃｍ²とした。空間光変調器６２には１画素が４２μｍ×４２μｍで画素数が６４０×４８０の液晶パネルを用い、液晶パネルの各画素を１／５に縮小して厚さ６μｍのアゾポリマー層の表面に結像させた。図２４（Ｄ）に示す偏光分布のポンプ光が出力されるようなパターンを液晶パネルに入力し、アゾポリマー層を５秒間露光した。これにより、ポンプ光の偏光分布と同じパターンの偏光分布を有するスケールを作製することができた。
【０１２９】
第２の方法は、偏光ホログラム記録により複屈折を多値変調記録する方法である。ホログラムスケールは、光の波面をホログラムの形で目盛面上に直接記録したものであり、製法原理上、波長オーダーの最も細かい目盛ピッチを実現できるため、これを利用したエンコーダでは高分解能での移動量の測定が可能である。本発明者等の研究によれば、２つの記録光の偏光状態（電場ベクトル）が互いに直交している場合には、光強度分布は面内一様となって干渉縞は形成されないが、合成電場の偏光状態に周期的な異方性が発生する、即ち、偏光ホログラムが記録される。この偏光ホログラム記録の手法をスケール作製に応用することで、ホログラムスケールの製法原理上のメリット、即ち、波長オーダーの最も細かい目盛ピッチを実現できるというメリットを享受できる。なお、偏光ホログラム記録の詳細については、Jpn.J.Appl.Phys.,Part1 38, 5928 (1999)等に記載されている。
【０１３０】
偏光分布を形成する２つの記録光の種々の組合せと、その組合せにより形成される電場の合成ベクトルの空間分布とを下記表１に示す。
【０１３１】
【表１】

【０１３２】
例えば、図２５に示すように、互いに逆周りの円偏光の電場を重ね合わせた場合に、電場の合成ベクトルが周期的（正弦波状）に回転している空間分布を持ち、これをアゾポリマーなどの偏光感応性媒体に照射することで、偏光ホログラムを記録することができる。なお、２つの記録光が同じ方向に回転する円偏光の組み合わせは、スケール作製には不適当である。
【０１３３】
図２６に、偏光ホログラムを記録するための光学系を示す。この光学系を用い、レーザ光源７０から出力されたレーザ光を、コリメートレンズ７２により広い口径の平行光にして、偏光ビームスプリッタ７４に入射させる。偏光ビームスプリッタ７４により入射光をｓ偏光成分とｐ偏光成分に分離し、偏光回転素子７６ｓ、７６ｐによりｓ偏光成分とｐ偏光成分の各々を互いに逆回りに回転する円偏光とし、記録媒体７８に照射して偏光ホログラムを記録する。上記表１に示した他の記録光の組合せも、偏光回転素子７６ｓ、７６ｐの設定により実現することが可能である。なお、この場合も、１／２波長板の機能を誘起するためには、前述した通り、露光条件を調整して所定の値の複屈折を誘起する必要が有る。
【０１３４】
スケールを透過した又はスケールで反射されたレーザ光を、偏光ビームスプリッタにより電場ベクトルが互いに直交する２光波に分離して、各光波を光検出器で各々検出する場合には、偏光状態が互いに直交した２つの記録光で偏光ホログラムが記録されたスケールを用いると、偏光状態が互いに直交していない２つの記録光で記録されたスケールを用いた場合と比べて、光検出器で検出される信号の周期は１／２になり、高分解能化が実現できる。
【０１３５】
次に、図２７に示す光学系を用いてスケールを作製した例を以下に示す。レーザ光源８０には発振線５１５ｎｍのアルゴンイオンレーザを用い、その光強度を５Ｗ／ｃｍ²とした。レーザ光源８０から出力されたレーザ光を１／２波長板８２に入射させてｐ偏光成分とｓ偏光成分の強度を同一にし、コリメータレンズ８４、８６により広い口径の平行光にして、偏光ビームスプリッタ８８によりｓ偏光とｐ偏光とに分離した。その後、ｓ偏光とｐ偏光を各々反射鏡９０、９２により反射し、偏光ビームスプリッタ９４により合成して、その合成波を１／４波長板９６に入射した。１／４波長板９６により、合成波に含まれるｓ偏光成分とｐ偏光成分とを互いに逆回りに回転する円偏光とし、記録媒体９８に照射し、厚さ６μｍのアゾポリマー層を５秒間露光した。図２（Ａ）に示すように、１／２波長板の方位が長手方向に沿って２２．５°ずつ左回りに連続的に回転するように、１周期当り９個の１／２波長板が配列されたスケールを作製した場合、
１周期分の１／２波長板が配列された部分の長さは９６０μｍであった。
【０１３６】
なお、上記では、第１又は第２の方法を用いてアゾポリマー層に複屈折を記録して透過型スケールを作製する例について説明したが、アゾポリマーと同様に光誘起複屈折性を示す材料であれば、アゾポリマーと同様の方法で複屈折を記録することができる。また、同様の方法により反射型スケールを作製することもできる。
【０１３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、耐ノイズ性及び汎用性に優れ、正確な移動量を検出することができる光学式エンコーダと、その光学式エンコーダに使用されるスケールとが提供される。また、部品点数が少なく、小型化可能な光学式エンコーダ及びエンコーダ用スケールが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係る光学式エンコーダの構成を示す概略図である。
【図２】（Ａ）は透過型スケールに配列された１／２波長板の方位を示す図であり、（Ｂ）は入射光の偏光方向を示す図であり、（Ｃ）は出射光の偏光方向を示す図である。
【図３】（Ａ）は透過型スケールの層構成を示す断面図であり、（Ｂ）は反射型スケールの層構成を示す断面図である。
【図４】プローブ光を用いて複屈折を測定するための光学系の構成を示す概略図である。
【図５】ポンプ光照射前後に測定した検光子の方位とプローブ光の透過強度との関係を示すグラフである。
【図６】第２の実施の形態に係る光学式エンコーダの構成を示す概略図である。
【図７】ノイズ要因存在下でのスケール移動量に対する強度Ｉｐ、Ｉｓ、及び偏光角度θの変化を計算機実験により求めた結果を示すグラフである。
【図８】偏光角度θに基づいて演算した移動量、及び強度Ｉｐの値に基づいて演算した移動量と、実際の移動量との相関を計算機実験により求めた結果を示すグラフである。
【図９】ノイズ要因存在下でのスケール移動量に対する強度Ｉｐ、Ｉｓ、及び差分Ｉｓ−Ｉｐの変化を計算機実験により求めた結果を示すグラフである。
【図１０】差分Ｉｓ−Ｉｐに基づいて演算した移動量、及び強度Ｉｐの値に基づいて演算した移動量と、実際の移動量との相関を計算機実験により求めた結果を示すグラフである。
【図１１】ノイズ要因存在下でのスケール移動量に対する強度Ｉｐ、Ｉｓ、及び偏光角度θの変化を示すグラフである。
【図１２】偏光角度θに基づいて演算した移動量、及び強度Ｉｐの値に基づいて演算した移動量と、実際の移動量との相関を示すグラフである。
【図１３】ノイズ要因存在下でのスケール移動量に対する強度Ｉｐ、Ｉｓ、及び差分Ｉｓ−Ｉｐの変化を示すグラフである。
【図１４】差分Ｉｓ−Ｉｐに基づいて演算した移動量、及び強度Ｉｐの値に基づいて演算した移動量と、実際の移動量との相関を示すグラフである。
【図１５】（Ａ）は第２の実施の形態に係る光学式エンコーダの変形例の構成を示す概略図であり、（Ｂ）は（Ａ）の光学式エンコーダに使用される検光子の光軸の方位を示す図である。
【図１６】（Ａ）は第３の実施の形態に係る光学式エンコーダの構成を示す概略図であり、（Ｂ）は（Ａ）の光学式エンコーダに使用される反射型スケールに配列された１／４波長板の方位を示す図である。
【図１７】第４の実施の形態に係る光学式エンコーダの構成を示す概略図である。
【図１８】（Ａ）は第４の実施の形態に係る光学式エンコーダの変形例の構成を示す概略図であり、（Ｂ）は（Ａ）の光学式エンコーダに使用される検光子の光軸の方位を示す図である。
【図１９】（Ａ）は第５の実施の形態に係る光学式エンコーダに使用される透過型スケールに配列された１／２波長板の方位を示す図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示すスケールを用いた場合のスケール移動量に対する光強度変化を示すグラフである。
【図２０】第６の実施の形態に係る光学式エンコーダの構成を示す概略図である。
【図２１】第７の実施の形態に係る光学式エンコーダの構成を示す概略図である。
【図２２】第８の実施の形態に係る光学式エンコーダの構成を示す概略図である。
【図２３】第９の実施の形態に係る光学式エンコーダの構成を示す概略図である。
【図２４】（Ａ）は複数の偏光方位を持つポンプ光を照射するための光学系の構成を示す光軸に沿った断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示す光学系の空間偏光変調器に配列された１／２波長板の方位を示す図であり、（Ｃ）は入射光の偏光方向を示す図であり、（Ｄ）は出射されるポンプ光の偏光分布を示す図である。
【図２５】互いに逆周りの円偏光を用いて偏光ホログラムを記録する様子を示す斜視図である。
【図２６】偏光ホログラムを記録するための光学系の構成を示す光軸に沿った断面図である。
【図２７】偏光ホログラム記録によりスケールを作製するための光学系の構成を示す光軸に沿った断面図である。
【図２８】従来の光学式エンコーダの構成を示す斜視図である。
【図２９】従来の光学式エンコーダの他の構成を示す光軸に沿った断面図である。
【符号の説明】
１２ レーザ光源
１４ 透過型スケール
１６ 検光子
１６ｓ、１６ｐ 検光子
１８ 光検出器
１８ｓ、１８ｐ 光検出器
２０ 移動量演算装置
２４ 透明基板
２６ 記録層
４０ 偏光ビームスプリッタ
４４ 反射型スケール
４６ 反射部材
４８ 記録層
５０ 偏光変調素子
５２ 偏光素子
５５ 回折格子

Claims (21)

1. 入射されたレーザ光の偏光状態を各々異なる状態に変化させる複数の光学異方性部分を備え且つ前記光学異方性部分の異方性方位が周期的に変化するように前記複数の光学異方性部分が配列されたスケールと、該スケールにレーザ光を照射する光源、前記スケールを透過又は前記スケールで反射されたレーザ光を偏光方向が異なる２つの偏光成分に分離する偏光分離手段、及び該偏光分離手段により分離された各偏光成分毎に光強度を検出する光強度検出手段を備えた検出光学系と、が相対移動又は相対回転可能に配置された光学センサ部と、
   該光学センサ部の光強度検出手段で検出された各偏光成分の光強度比から得られる偏光角度又は光強度差の変化をスケールの異方性方位の変化に関連付けて、前記スケールの移動量を演算する移動量演算手段と、
   を備えた光学式エンコーダ。
2. 入射されたレーザ光の偏光方向を各々回転させる複数の光学異方性部分を備え且つ前記光学異方性部分の異方性方位が周期的に変化するように前記複数の光学異方性部分が配列されたスケールと、該スケールにレーザ光を照射する光源、前記スケールを透過又は前記スケールで反射されたレーザ光を偏光方向が異なる２つの偏光成分に分離する偏光分離手段、及び該偏光分離手段により分離された各偏光成分毎に光強度を検出する光強度検出手段を備えた検出光学系と、が相対移動又は相対回転可能に配置された光学センサ部と、
   該光学センサ部の光強度検出手段で検出された各偏光成分の光強度比から得られる偏光角度又は光強度差の変化をスケールの異方性方位の変化に関連付けて、前記スケールの移動量を演算する移動量演算手段と、
   を備えた光学式エンコーダ。
3. 前記光源に面発光レーザを用いた請求項１又は２に記載の光学式エンコーダ。
4. 前記光源と前記スケールとの間に、所定偏光方向のレーザ光を通過させる偏光子を配置した請求項１〜３の何れか１項に記載の光学式エンコーダ。
5. 前記光源と前記スケールとの間に、レーザ光を所定ビーム径に整形するアパーチャを配置した請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学式エンコーダ。
6. 前記移動量演算手段は、光強度検出手段で検出された各偏光成分の光強度比から得られる偏光角度又は光強度差が周期的に変化する場合に、該偏光角度又は光強度比の変化の周期をスケールの異方性方位の変化の周期に関連付けて、前記スケールの移動量を演算する請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学式エンコーダ。
7. 前記偏光分離手段は、偏光ビームスプリッタ、偏光板、及び偏光フィルムのいずれか又はその組合せである請求項１〜６のいずれか１項に記載の光学式エンコーダ。
8. 前記スケールに、複数のレーザ光による干渉光を照射する請求項１〜７のいずれか１項に記載の光学式エンコーダ。
9. 前記スケールに、回折光の干渉による多重干渉光を照射する請求項１〜８のいずれか１項に記載の光学式エンコーダ。
10. 前記スケールの異方性方位の変化が周期的である場合に、該変化の半周期の整数倍のピッチを有する干渉縞がスケール表面で形成されるように干渉光を照射する請求項８又は９に記載の光学式エンコーダ。
11. 前記スケールに、ビーム内に偏光変化を有するレーザ光を照射する請求項１〜１０のいずれか１項に記載の光学式エンコーダ。
12. 前記スケールに、ビーム内に偏光変化を有するレーザ光を所定偏光方向のレーザ光を通過させる偏光子を通して照射する請求項１１に記載の光学式エンコーダ。
13. 前記光学異方性部分が、前記スケールと前記検出光学系とが所定方向に移動又は回転される場合と該所定方向と逆の方向に移動又は回転される場合とで、検出される光強度の変化の態様が異なるように配列された請求項１〜１２のいずれか１項に記載の光学式エンコーダ。
14. 光学式エンコーダに使用されるエンコーダ用スケールであって、入射されたレーザ光の偏光状態を各々異なる状態に変化させる複数の光学異方性部分を備えると共に、前記光学異方性部分の変化が部分毎に光学異方性材料の厚さを変えて形成され、且つ前記光学異方性部分の異方性方位が周期的に変化するように前記複数の光学異方性部分が配列されたエンコーダ用スケール。
15. 光学式エンコーダに使用されるエンコーダ用スケールであって、入射されたレーザ光の偏光方向を各々回転させる複数の光学異方性部分を備えると共に、前記光学異方性部分の変化が部分毎に光学異方性材料の厚さを変えて形成され、且つ前記光学異方性部分の異方性方位が周期的に変化するように前記複数の光学異方性部分が配列されたエンコーダ用スケール。
16. 前記光学異方性部分は、光照射により誘起された光誘起異方性を備えた部分である請求項１４又は１５に記載のエンコーダ用スケール。
17. 前記光誘起異方性は光誘起複屈折である請求項１６に記載のエンコーダ用スケール。
18. 前記光学異方性部分が、側鎖に光異性化する基を有する高分子化合物を含む記録材料、又は光異性化する分子を分散させた高分子化合物を含む記録材料に光照射により複屈折を誘起して形成された請求項１４〜１７のいずれか１項に記載のエンコーダ用スケール。
19. 前記高分子化合物がアゾベンゼン骨格を有する請求項１８に記載のエンコーダ用スケール。
20. 前記高分子化合物がポリエステル群から選ばれた少なくとも１種のモノマー重合体である請求項１８又は１９に記載のエンコーダ用スケール。
21. 前記光学異方性部分の変化が偏光ホログラム記録により形成された請求項１４〜２０のいずれか１項に記載のエンコーダ用スケール。

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