(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源手段と、
位相格子と複数のレンズ手段を配列したレンズアレイを有する第１基板と、
格子列と、複数のマーク手段を配列したマークアレイと、を有し第１基板と対向して配置された第２基板と、
第１の受光素子と、
第２の受光素子と、を有し
前記光源手段からの光束を前記第１基板上の前記位相格子と前記レンズアレイに入射させ、前記位相格子と前記レンズアレイで変調された変調光を、前記第２基板上の格子列とマークアレイに各々入射させ、該格子列とマークアレイからの変調光を各々第１、第２の受光素子で受光することにより前記第１基板と該第２基板との相対的な変位情報を得ることを特徴とする変位情報検出装置。
【請求項２】
前記第１基板と第２基板との間隔は前記レンズアレイの少なくとも１つのレンズの焦点距離に略等しいことを特徴とする請求項１の変位情報検出装置。
【請求項３】
前記レンズアレイは所定の格子ピッチより成る位相格子、又は断面形状が凹凸の該凹凸の比率に規則性のある回折格子レンズより成り、入射光束を複数の点状集光光束又は複数の線状集光光束として射出していることを特徴とする請求項１の変位情報検出装置。
【請求項４】
前記レンズアレイから発生した複数の集光光束による前記第２基板上に投影されるパターンは前記第２基板上のマークアレイの透過部又は遮光部のパターンと略等しいことを特徴とする請求項１，２又は３の変位情報検出装置。
【請求項５】
前記レンズアレイからの集光光束の前記第２基板上における光束幅をａ、前記原点用マークアレイの透過部幅又は遮光部幅をｂとしたとき
ａ≦ｂ
となるように各要素を設定していることを特徴とする請求項１又は３の変位情報検出装置。
【請求項６】
前記第１基板上のレンズアレイはラメラ位相格子より成り、その断面凹凸の段差によって凹部透過光と凸部透過光が互いにλ／２の光路差となるようにしていることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項記載の変位情報検出装置。
【請求項７】
前記マークアレイの受光素子による検出信号はパルス状信号であり、該パルス状信号を２値化回路を介して矩形状信号としていることを特徴とする請求項１の変位情報検出装置。
【請求項８】
前記位相格子で回折された回折光同士は互いに干渉して前記第２基板上で前記格子列のピッチと同ピッチの干渉パターンを形成し、前記受光素子は該格子列を介した光束を受光しており、該受光素子で得られたインクリメンタル信号を２値化回路を介して矩形波状信号としていることを特徴とする請求項１又は７の変位情報検出装置。
【請求項９】
前記レンズアレイを構成する複数のレンズ手段は該レンズアレイにより集光した光束が指向性を有する光束となるように偏心配置されており、該指向性を有する光束が前記第２基板上のマークアレイを通過後、前記受光素子に入射するようにしていることを特徴とする請求項１〜８の何れか１項の変位情報検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は変位情報検出装置に関し、特に相対的に移動するスケール（第１基板）と基板（第２基板）に取り付けられた格子に光束を照射して、そこから得られる位相又は強度変調された信号光を検出することにより該スケールと基板に関する位置，位置ずれ量，位置ずれ方向，速度，加速度，原点位置等の変位情報を検出するエンコーダ（リニアエンコーダ，ロータリーエンコーダ）等に好適なものである。
【０００２】
この他、これらの変位情報に基づいてＡＣモータ等の駆動装置の電流量や方向を制御して、物体の回転移動をさせる装置（エンコーダ付モータ等）等に好適なものである。
【０００３】
【従来の技術】
従来より、物体の相対的な変位情報（変位量，速度，加速度等）を高精度に測定する為の装置としてインクリメンタル型のエンコーダが多く利用されている。又このエンコーダにはその内部に絶対位置情報を計算する為に原点情報を検出する為の装置が付加されている。
【０００４】
一般にエンコーダにおけるインクリメンタル信号の検出機構は相対移動するスケール（第１基板）上に透過，非透過（又は反射，非反射）の繰り返し格子パターンを記録しておき、固定のスリット基板（第２基板）にも全く等しいピッチのスリットパターン（格子パターン）を記録しておき、両者を間隔（ギャップ）Ｇを隔てて重ね合わせておいてから双方に平行光束を照明している。このときスケールの移動によって両者のパターンの一致の具合に応じて透過光量が周期的に変化する。このときの変化量を受光素子にて検出し、正弦波状の電気的なインクリメンタル信号を得ている。又は更に２値化回路によって矩形波状に変換されて電気的なインクリメンタル信号を得ている。
【０００５】
又原点信号の検出機構は相対移動するスケール上に複数の透過，非透過（又は反射，非反射）のランダム格子パターンを記録しておき、固定のスリット基板にも全く等しいランダム格子パターンを記録しておき、両者を間隔（ギャップ）Ｇを隔てて重ね合わせておいてから双方に平行光束を照明している。このときスケールの移動によって両者のパターンが完全に一致した瞬間に最大の透過光量となるようなパルス状信号光を得ている。このパルス状信号光を受光素子にて検出して原点信号を得ている。更に２値化回路によって矩形波状に変換した電気的な原点信号を得ている。
【０００６】
相対的な変位情報を検出する為のスケールとスリット基板には、それぞれ格子パターン，原点パターンが併設されている。そして多くの場合、両者を同時にかつ同一の光学系によって並列的に検出している。この場合は、インクリメンタル信号の検出原理も原点信号の検出原理もスケールとスリット基板の重なり具合の変化による透過光量の変調効果を利用している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
最近のエンコーダには変位情報の検出に高分解能化が求められている。インクリメンタル信号の検出をより高精度，高分解能に行うにはインクリメンタル信号検出用の格子パターンをより高密度に記録する必要がある。しかしながらそうすると光束がスケール上のスリット列を透過してスリット基板上のスリット列に到達する前に、光の回折現象によって明暗のコントラストが低下しやすくなる。
【０００８】
これに対してスケール板とスリット基板（検出ヘッド）を数１０μｍまで近接させる方法がある。しかしながら近接しすぎるとスケールガイド機構の誤差等によって接触して破損する場合があり、近接させることができないという問題点があった。
【０００９】
高分解能を有する原点信号の検出方法としては、例えばインクリメンタル信号検出用の光学要素と別途に設けたレンズ又はシリンダーレンズによりスケール上に併設された原点パターントラック（理想的には透過，非透過パターン）上に光束を線状に集光して、該スケール上に設けた１本のスリット開口パターンより成る原点パターンを照明している。そしてスケールの移動に伴う原点パターンからの透過光量の変化を検出して、これによりインクリメンタル信号の検出分解能と同程度の分解能で原点信号を得ている。
【００１０】
しかし、原点信号検出の為に集光光束が必要となる。例えばコリメータレンズとスケール間のスリット開口パターン近傍にシリンダーレンズ等を挿入する必要が生じ、この結果、装置の小型化や組み立てが難しくなるという問題点があった。
【００１１】
更にシリンダーレンズの挿入により原点信号の検出がシリンダーレンズの取り付け方によってずれるのでインクリメンタル信号との同期を良好に行うのが難しくなってくるという問題点があった。
【００１２】
本発明は、装置全体の小型化を図りつつ、インクリメンタル信号及び原点信号を高分解能で検出し、第１基板と第２基板又は第１基板と第３基板との相対的な変位情報を高精度に求めることのできる変位情報検出装置の提供を目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の変倍情報検出装置は、光源手段と、
位相格子と複数のレンズ手段を配列したレンズアレイを有する第１基板と、
格子列と、複数のマーク手段を配列したマークアレイと、を有し第１基板と対向して配置された第２基板と、
第１の受光素子と、
第２の受光素子と、を有し
前記光源手段からの光束を前記第１基板上の前記位相格子と前記レンズアレイに入射させ、前記位相格子と前記レンズアレイで変調された変調光を、前記第２基板上の格子列とマークアレイに各々入射させ、該格子列とマークアレイからの変調光を各々第１、第２の受光素子で受光することにより前記第１基板と該第２基板との相対的な変位情報を得ることを特徴としている。
【００１４】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記第１基板と第２基板との間隔は前記レンズアレイの少なくとも１つのレンズの焦点距離に略等しいことを特徴としている。
【００１５】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記レンズアレイは所定の格子ピッチより成る位相格子、又は断面形状が凹凸の該凹凸の比率に規則性のある回折格子レンズより成り、入射光束を複数の点状集光光束又は複数の線状集光光束として射出していることを特徴としている。
【００１６】
請求項４の発明は、請求項１、２又は３の発明において、前記レンズアレイから発生した複数の集光光束による前記第２基板上に投影されるパターンは前記第２基板上のマークアレイの透過部又は遮光部のパターンと略等しいことを特徴している。
【００１７】
請求項５の発明は、請求項１又は３の発明において、前記レンズアレイからの集光光束の前記第２基板上における光束幅をａ、前記原点用マークアレイの透過部幅又は遮光部幅をｂとしたとき
ａ≦ｂ
となるように各要素を設定していることを特徴としている。
【００１８】
請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれか１項の発明において、前記第１基板上のレンズアレイはラメラ位相格子より成り、その断面凹凸の段差によって凹部透過光と凸部透過光が互いにλ／２の光路差となるようにしていることを特徴としている。
【００１９】
請求項７の発明は、請求項１の発明において、前記マークアレイの受光素子による検出信号はパルス状信号であり、該パルス状信号を２値化回路を介して矩形状信号としていることを特徴としている。
【００２０】
請求項８の発明は、請求項１又は７の発明において、前記位相格子で回折された回折光同士は互いに干渉して前記第２基板上で前記格子列のピッチと同ピッチの干渉パターンを形成し、前記受光素子は該格子列を介した光束を受光しており、該受光素子で得られたインクリメンタル信号を２値化回路を介して矩形波状信号としていることを特徴としている。
【００２１】
請求項９の発明は、請求項１から８のいずれか１項の発明において、前記レンズアレイを構成する複数のレンズ手段は該レンズアレイにより集光した光束が指向性を有する光束となるように偏心配置されており、該指向性を有する光束が前記第２基板上のマークアレイを通過後、前記受光素子に入射するようにしていることを特徴としている。
【００２８】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施形態１のインクリメンタル信号検出光学系の要部断面図、図２は本発明の実施形態１の原点アナログ信号検出光学系の要部断面図である。図３，図４，図５は図２の一部分を変更したときの要部断面図である。図６は図１のインクリメンタル信号の検出光学系と図２の原点アナログ信号検出光学系を一体的にまとめた要部斜視図、図７は実施形態１の受光手段で得られる信号の説明図である。
【００２９】
図中、ＳＣＬは第１基板としての矢印方向に移動可能なスケールであり、移動物体（不図示）に取着されている。スケールＳＣＬ上にはインクリメンタル信号用の２つの位相格子（格子パターン）ＧＴ（Ａ），ＧＴ（Ｂ）と原点信号用の複数のレンズを配列した原点レンズアレイ（リニアパターンの回折レンズのアレイより構成される，リニア回折レンズアレイ，リニアフレネルゾーンプレートアレイとも言う）ＬＡ（Ｚ）が互いに異なるトラック上に形成されている。
【００３０】
ＳＬＩＴは第２基板としてのスリット基板であり、スケールＳＣＬと５０〜数１００μｍ程度の間隔（ギャップ）Ｇを隔てて対向配置している。スリット基板ＳＬＩＴは点ＰＯを境界にして４つの領域に分割し、各領域には格子の配列の位置を１／４ピッチ分ずらしたスリット格子ＳＬＩＴ（Ａ），ＳＬＩＴ（Ｂ），ＳＬＩＴ（Ａ−），ＳＬＩＴ（Ｂ−）が形成されている。又スリット基板ＳＬＩＴには原点信号用の複数のスリットを配列した原点スリット格子アレイ（原点スリットアレイ）ＳＬＩＴ（Ｚ）がスリット格子ＳＬＩＴ（Ａ），ＳＬＩＴ（Ｂ），ＳＬＩＴ（Ａ−），ＳＬＩＴ（Ｂ−）と異なるトラック上に形成されている。
【００３１】
ＬＧＴはＬＥＤ等の低コヒーレンシーの光源手段である。ＬＮＳはコリメーターレンズであり、光源手段ＬＧＴからの光束を平行光束としている。光源手段ＬＧＴとコリメーターレンズＬＮＳは投光手段の一要素を構成している。ＰＤは受光手段であり、スリット格子ＳＬＩＴ（Ａ），ＳＬＩＴ（Ｂ），ＳＬＩＴ（Ａ−），ＳＬＩＴ（Ｂ−）で回折された回折光を受光する為の４つの受光素子ＰＤ（Ａ），ＰＤ（Ｂ），ＰＤ（Ａ−），ＰＤ（Ｂ−）と原点信号用の受光素子ＰＤ（Ｚ）を有している。
【００３２】
本実施形態では光源手段ＬＧＴ，コリメーターレンズＬＮＳ，スリット基板ＳＬＩＴ，そして受光手段ＰＤは検出ヘッド内に収納し、固定されている。
【００３３】
次に本実施形態において図１によりインクリメンタル信号の検出方法について説明する。光源手段ＬＧＴより射出された光束をコリメーターレンズＬＮＳによって平行光束にし、相対移動するスケールＳＣＬ上に照明している。平行光束はスケールＳＣＬ上のインクリメンタル用の位相格子トラックと原点信号用の原点回折レンズトラックに同時に一括して照明している。
【００３４】
図１に示すようにインクリメンタル用の位相格子トラックでは凹凸形状より成る位相格子ＧＴ（Ａ），ＧＴ（Ｂ）より回折光束を発生して５０〜数１００μｍ離れた空間にもとの格子ピッチの半分の明暗パターンを投影する。ここで位相格子ＧＴ（Ａ），ＧＴ（Ｂ）としてラメラ格子で０次回折光が発生しないような微細構造のものを用いている。又凹凸部でそれぞれ光を透過するものを用いている。
【００３５】
スケールＳＣＬ上の位相格子ＧＴ（Ａ），ＧＴ（Ｂ）によってスリット基板ＳＬＩＴ上に投影された明暗パターンは該明暗パターンと等ピッチのスリット基板ＳＬＩＴ上のスリット格子ＳＬＩＴ（Ａ），ＳＬＩＴ（Ｂ），ＳＬＩＴ（Ａ−），ＳＬＩＴ（Ｂ−）によって該明暗パターンとスリット格子ＳＬＩＴ（Ａ），ＳＬＩＴ（Ｂ），ＳＬＩＴ（Ａ−），ＳＬＩＴ（Ｂ−）との位置関係に応じて選択的に透過，遮光している。
【００３６】
４つのスリット格子ＳＬＩＴ（Ａ），ＳＬＩＴ（Ｂ），ＳＬＩＴ（Ａ−），ＳＬＩＴ（Ｂ−）は点ＰＯを境界に領域を４分割していて、互いの格子の配列の位相を１／４ピッチ分ずらして形成してある。これにより、それぞれの領域を透過した信号光の明暗の変化のタイミングが１／４周期ずつずれるようにして、所謂Ａ，Ｂ相信号を発生させている。その際にスケールＳＣＬの移動によって位相格子ＧＴ（Ａ），ＧＴ（Ｂ）が１ピッチ分移動すると明暗パターンは２ピッチ分移動するのでスリット格子ＳＬＩＴを透過した光束は明暗が正弦波状に２回変化する。
【００３７】
図７（Ａ）は、このときの４つの受光素子のうちの２つの受光素子ＰＤ（Ａ），ＰＤ（Ｂ）に到達する光量がスケールＳＣＬの相対移動によって変化する明暗信号の様子を示している。この明暗信号光を受光素子ＰＤ（Ａ），ＰＤ（Ｂ）で受光しており、このとき受光素子ＰＤ（Ａ），ＰＤ（Ｂ）からスケールＳＣＬの位相格子１ピッチ分の移動で２周期の正弦波状のアナログ信号電流を得ている。例えば、スケールＳＣＬの位相格子ピッチがＰ＝２０μｍであれば、１０μｍ周期の正弦波状アナログ信号電流が得られる。
【００３８】
本実施形態では以上のようにしてスケールＳＣＬの移動に伴うインクリメンタル信号を受光手段ＰＤで得ている。
【００３９】
尚、本実施形態においてスリット基板ＳＬＩＴの４つのスリット格子の代わりに１／４ピッチずらした２つのスリット格子ＳＬＩＴ（Ａ），ＳＬＩＴ（Ｂ）を設け、又受光手段ＰＤの４つの受光素子の代わりに２つの受光素子ＰＤ（Ａ），ＰＤ（Ｂ）を設けて、該２つの受光素子によりＡ，Ｂ相信号を得るようにしても良い。
【００４０】
次に本実施形態において図２により原点アナログ信号の検出方法について説明する。図２に示すようにスケールＳＣＬ上の原点レンズアレイＬＡ（Ｚ）に照明された光束は原点レンズアレイＬＡ（Ｚ）のうちの１つのレンズの焦点距離ｆの位置にあたる空間に線状集光パターンを投影して、その投影空間に配置したスリット基板ＳＬＩＴの複数のスリットを配列した原点スリットアレイＳＬＩＴ（Ｚ）に入射している。そしてスリット基板ＳＬＩＴの原点スリットアレイＳＬＩＴ（Ｚ）を透過した光束は受光素子ＰＤ（Ｚ）に入射している。尚、集光光束の幅ａ（強度が１／２以上の領域幅）は、原点スリットアレイＳＬＩＴ（Ｚ）の幅ｂに比べて等しいか小さく設定している。即ちａ≦ｂとなるように各要素を設定している。
【００４１】
また、本実施形態では、原点検出用の受光素子ＰＤ（Ｚ）がスリット基板ＳＬＩＴより離れて設定されかつ小さいために、原点レンズアレイＬＡ（Ｚ）の各レンズ要素は、それぞれが集光する光束が原点スリット格子アレイＳＬＩＴ（Ｚ）を透過して受光素子ＰＤ（Ｚ）に効率良く入射するように適切な指向性を与えるべく適切な偏心を与えてある。
【００４２】
ここで、原点レンズアレイＬＡ（Ｚ）全体に光束が照明された場合は、原点レンズアレイＬＡ（Ｚ）によって生じた線状集光パターンと、スリット基板ＳＬＩＴ上の原点スリット格子アレイＳＬＩＴ（Ｚ）とが等しくなり、また唯一、スケールＳＣＬの相対移動によって両者が合致した瞬間にすべてのスリットより光束が透過するのでその総和は最大になり、受光素子ＰＤ（Ｚ）に最大量の透過光量が入射し、パルス状のするどい波形が出力される。
【００４３】
図７（Ｂ）に受光素子ＰＤ（Ｚ）に到達する光量のスケールＳＣＬの相対移動に伴う変化の様子を示す。なお、複数のパルス状の波形のボトムの位置がＶ字状に変わり両側で少量の透過光量が検出されているのは、原点レンズアレイＬＡ（Ｚ）以外の部分に照明された光束が原点スリット格子アレイＳＬＩＴ（Ｚ）を透過して受光素子ＰＤ（Ｚ）に入射するためである。原点レンズアレイトラックのうち原点レンズアレイＬＡ（Ｚ）以外の部分を遮光減光処理（遮光塗料による光の吸収やラメラ回折格子による０次透過光の減光）をすればこうした変化をなくすことができるが、少量であれば問題ない。
【００４４】
図３は図２の原点スリット格子アレイＳＬＩＴ（Ｚ）の透過，不透過を反転させたときの要部概略図である。図３に示すようにスリット基板ＳＬＩＴ上の透過スリットパターンを反転させて、原点レンズアレイＬＡ（Ｚ）全体に光束が照明された場合の、原点レンズアレイＬＡ（Ｚ）によって生じる線状集光パターンと、スリット基板ＳＬＩＴ上の非透過スリットパターンＳＬＩＴ（Ｚ−）とを等しくしておけば、唯一、スケールＳＣＬの相対移動によって両者が合致した瞬間にすべての非透過スリットにより光束が遮断されるのでその総和は最小になり、受光素子ＰＤ（Ｚ）に最小量の透過光量が入射し、図７（Ｃ）のように図７（Ｂ）とは反転したパルス状のするどい波形が出力される。
【００４５】
図７（Ｂ）または図７（Ｃ）のように、原点スリット格子アレイＳＬＩＴ（Ｚ）と各集光光束の両者が合致した場合に最大または最小の透過光量が入射しパルス状のするどい波形を得るとともに、原点スリット格子アレイＳＬＩＴ（Ｚ）またはＳＬＩＴ（Ｚ−）の各スリットの平均間隔に近い間隔毎にもパルス状の波形が出力されるが、原点スリット格子アレイＳＬＩＴ（Ｚ）またはＳＬＩＴ（Ｚ−）の各スリット要素の間隔および原点スリット格子アレイＳＬＩＴ（Ｚ）またはＳＬＩＴ（Ｚ−）上に集光される各集光光束の間隔に、適切なばらつきを与えておくことで抑圧され、実質的に１つのパルス状のするどい波形が出力される。
【００４６】
図４は図２の原点スリット格子アレイＳＬＩＴ（Ｚ）の各スリット要素の間隔および原点スリット格子アレイＳＬＩＴ（Ｚ）上の各集光光束間隔をすべて等しくして構成したときの概略図である。このときは図７（Ｄ）に示すように両者が合致した場合に最大の透過光量が入射しパルス状のするどい波形を得るが、その前後に原点スリット格子アレイＳＬＩＴ（Ｚ）の各スリット間隔毎にパルス状の波形が出力される。
【００４７】
図５は図４において原点スリット格子アレイＳＬＩＴ（Ｚ）を反転させて非透過スリット格子アレイＳＬＩＴ（Ｚ−）とした構成の概略図である。このときは図７（Ｅ）に示すように、唯一、スケールＳＣＬ  の相対移動によって両者が合致した瞬間にすべての非透過スリットにより光束が遮断されるのでその総和は最小になり、受光素子ＰＤ（Ｚ）に最小量の透過光量が入射し、図７（Ｄ）とは反転したパルス状のするどい波形が出力される。
【００４８】
本実施形態では以上のようにして原点アナログ信号を得ている。次に本実施形態において原点デジタル信号の抽出及びその信号処理系について説明する。
【００４９】
図６は図１のインクリメンタル信号の検出光学系及び図２の原点信号の検出光学系を一体的にまとめた光学系の全体構成の斜視図である。図８（Ａ）は受光素子ＰＤ（Ｚ）の出力から原点デジタル信号を得る回路の説明図であり、図８（Ｂ）は図８（Ａ）の回路中において信号レベルがスケールＳＣＬの相対移動に伴って変化する様子を示す説明図である。図８（Ｂ）のように、適切に設定された基準電圧Ｖｒｅｆと受光素子ＰＤ（Ｚ）の出力からアンプＡＭＰを介して得られた原点アナログ信号Ｖ（ＰＤ（Ｚ））をコンパレータＣＯＭＰにて比較して２値化し、原点デジタル信号として出力している。
【００５０】
図６においてはインクリメンタル用のスリット基板ＳＬＩＴをスリット格子ＳＬＩＴ（Ａ），ＳＬＩＴ（Ｂ），ＳＬＩＴ（Ａ−），ＳＬＩＴ（Ｂ−）のように４分割し、互いに９０°の位相差でずらして形成している。そして、それらに対応する受光素子をＰＤ（Ａ），ＰＤ（Ｂ），ＰＤ（Ａ−），ＰＤ（Ｂ−）の４つでそれぞれ受光することで互いに９０°の位相差のある４相インクリメンタル信号が得られるように構成している。インクリメンタル信号の検出方法は図１で示したのと同様である。又原点信号の検出方法は図２で示したのと同様である。
【００５１】
以上のように本実施形態ではインクリメンタル信号検出光学系と原点検出光学系を共通化している。特にインクリメンタル信号検出光学系と原点検出光学系を各々図１，図２に示すように構成して、又図６に示すように一体的に構成している。そしてスケールＳＣＬからインクリメンタル信号用の位相格子により１／２ピッチの明暗パターンの発生する位置までの距離Ｇと原点レンズアレイのうちの１つのレンズの焦点距離ｆとを略等しくし、これによりインクリメンタル信号用のスリット格子ＳＬＩＴ（Ａ），ＳＬＩＴ（Ｂ），ＳＬＩＴ（Ａ−），ＳＬＩＴ（Ｂ−）と原点検出用の原点スリット格子アレイＳＬＩＴ（Ｚ）を同一の基板に形成できるようにしてスリット基板ＳＬＩＴを共通化している。又インクリメンタル信号用の受光手段ＰＤと原点信号用の受光素子ＰＤ（Ｚ）及びその他の受光素子を同一基板上に受光素子アレイとして一体化して装置の簡素化を図っている。又、本実施形態においては次のような効果も同様に得られる。
【００５２】
（Ａ１）生産性が良い。
例えば、スケールＳＣＬ上に設けた原点レンズアレイＬＡ（Ｚ）もインクリメンタル信号用の位相格子ＧＴ（Ａ），ＧＴ（Ｂ）もどちらも透明な凹凸状の光学素子であり、どちらのパターンもレプリカ，射出成形等の同一の製法で製造できるので非常にローコスト化できる。特に、原点レンズアレイを回折レンズとしてパターニングする場合には、どちらもラメラ位相格子状のパターンであり、又その凹凸の段差も０次回折光の発生しない段差にするという点で同じであり、ガラスエッチングによる製法及びそれを用いたレプリカ，射出成形も可能となり非常に生産性の優れた光学素子になる。
【００５３】
（Ａ２）高分解能な原点信号とインクリメンタル信号が容易に得られる。
スケールＳＣＬ上の原点レンズアレイＬＡ（Ｚ）による集光光束幅と原点スリット格子アレイＳＬＩＴ（Ｚ）の各スリット幅を狭くすれば必要な高分解能の原点信号が容易に得られる。
【００５４】
（Ａ３）小型化が容易となる。
スケールＳＣＬ上にインクリメンタル信号用の位相格子及び原点レンズアレイを併置し、スリット基板ＳＬＩＴ上にインクリメンタル信号用のスリット格子ＳＬＩＴ（Ａ），ＳＬＩＴ（Ｂ），ＳＬＩＴ（Ａ−），ＳＬＩＴ（Ｂ−）及び原点スリット格子アレイＳＬＩＴ（Ｚ）を併置し、更に受光素子基板上にインクリメンタル信号用の４つの受光素子ＰＤ（Ａ），ＰＤ（Ｂ），ＰＤ（Ａ−），ＰＤ（Ｂ−）、原点用の受光素子ＰＤ（Ｚ）を併置して受光素子アレイとして一体化しているので、各信号検出光学系部品が共通化され、原点検出用専用部品が不要になり小型化できる。
【００５５】
（Ａ４）原点信号とインクリメンタル信号が同期できる。
検出の基準をインクリメンタル信号，原点信号ともにスケール及びスリット基板としているので、インクリメンタル信号と原点信号の関係が機械的に安定し、同期信号が得られる。
【００５６】
（Ａ５）Ｓ／Ｎの良い原点信号がえられる。
スケール上のレンズがアレイ状に複数あり、かつスリット基板上の原点信号用スリットも複数あり、さらに各レンズ要素に受光素子ＰＤ（Ｚ）への指向性を与えてあるので、スケール〜スリット基板間のギャップＧが５０〜数１００μｍと狭くても、原点レンズアレイＬＡ（Ｚ）によって受光素子ＰＤ（Ｚ）へ向けて集められる光束量が多くなり、それが原点スリットアレイＳＬＩＴ（Ｚ）を透過するので、原点アナログ信号の光量が多くなり、Ｓ／Ｎの良い原点アナログ信号が得られる。
【００５７】
尚、本実施形態においてインクリメンタル信号検出用のスリット格子を原点スリット格子アレイが設けられている第２基板としてのスリット基板ＳＬＩＴとは別の第３基板上に設けて、第１基板と第３基板との相対的な位置関係が前述したのと同様になるように設定しても良い。
【００５８】
そして受光素子ＰＤから得られるインクリメンタル信号を用いて第１基板と第３基板との相対的な変位情報を得るようにしても良い。
【００５９】
図９は本発明の実施形態２の要部概略図である。本実施形態では図６の実施形態１に比べてスケールＳＣＬ上の原点レンズアレイトラック及びインクリメンタル用位相格子トラックに併置して光量モニタ用トラック（トラック全体が透過部）を新たに設け、スケールＳＣＬ上の原点レンズアレイトラック及びインクリメンタル用位相格子トラックを照射した光束と同一の平行光束を照明している。そして光量モニタ用トラックを透過させてスリット基板ＳＬＩＴ上の開口部ＷＮＤ（ｒｅｆ）を透過させて、光量モニタ用の受光素子ＰＤ（ｒｅｆ）にて、受光するように構成した点が異なっており、その他の構成は同じである。
【００６０】
図１０（Ａ）は本実施形態における受光素子ＰＤ（Ｚ），ＰＤ（ｒｅｆ）からの出力信号から原点デジタル信号を得る回路の説明図である。同図では受光素子ＰＤ（ｒｅｆ）にて検出された光量レベルに適切な倍率をかけて基準電圧信号Ｖｒｅｆを作り、原点アナログ信号Ｖ（ＰＤ（Ｚ））との比較をコンパレータにて行い、２値化して出力している。図１０（Ｂ）は図１０（Ａ）の回路中において信号レベルがスケールＳＣＬの相対移動に伴って変化する様子を示す説明図である。
【００６１】
本実施形態では光源手段からの光量変動の影響を受けないで原点信号の検出が行えるという特長がある。
【００６２】
図１１は本発明の実施形態３の要部概略図である。図１１は、図６に追加して、スケール上の原点用レンズアレイトラックおよびインクリメンタル用位相回折格子トラックに併置して原点近傍検出用トラックＧＴ（Ｚｒｅｆ）を設け、原点用レンズアレイ全体に光束が照明されているときに、原点近傍検出用トラック上に半透過部パターンが来るようにした実施例の斜視図である。
【００６３】
図１２（Ａ）は受光素子ＰＤ（Ｚ）およびＰＤ（Ｚｒｅｆ）の出力信号から原点デジタル信号を得る回路の実施例であり、受光素子ＰＤ（Ｚｒｅｆ）にて検出された光量レベルに適切な倍率をかけて基準電圧信号Ｖｒｅｆを作り、原点アナログ信号Ｖ（ＰＤ（Ｚ））との比較をコンパレータにて行い、２値化して出力する。
【００６４】
図１２（Ｂ）は、図１２（Ａ）の回路中において信号レベルがスケールの相対移動に伴って変化する様子を示す説明図である。この実施例は、光源の光量変動の影響を受けないで原点検出が行えるという特長に加えて、図２，図３の実施形態での原点アナログ信号レベルが小さかったり図４，図５の実施形態のように最大ピーク信号の近傍にそれよりは小さいが無視できないレベルのピーク信号がある場合に、図１２（Ｂ）のような三角波状または台形状の原点近傍検出信号によって不要なピーク信号がコンパレータにかかることを防ぐ効果がある。
【００６５】
尚、本実施形態ではスケール上の原点近傍検出用半透過部パターンは凹凸の位相回折格子を原点近傍のみに形成し、直進光を抑制することで半透過の効果を与えている。
【００６６】
図１３は本発明の実施形態４の要部概略図である。本実施形態では図６の実施形態１に比べてスケールＳＣＬ上の原点レンズアレイトラックＬＡ（Ｚ１）及びインクリメンタル用の位相格子トラックに併置して原点用レンズアレイトラックＬＡ（Ｚ２）をもう一つ設け、スケールＳＣＬ上の原点レンズアレイトラック及びインクリメンタル用の位相格子アレイトラックと共に同一の平行光束を照明し、原点スリット格子アレイＳＬＩＴ（Ｚ１）を透過させて原点検出用の受光素子ＰＤ（Ｚ１）にて受光すると同時に原点検出用の反転スリットアレイＳＬＩＴ（Ｚ２）を透過させて受光素子ＰＤ（Ｚ２）にて受光している点が異なっており、その他の構成は同じである。
【００６７】
図１４（Ａ）は受光素子ＰＤ（Ｚ１）及びＰＤ（Ｚ２）の出力信号から原点デジタル信号を得る回路の説明図である。同図では検出された２つの互いに反転した原点アナログ信号Ｖ（ＰＤ（Ｚ１）），Ｖ（ＰＤ（Ｚ２））をコンパレータにて比較して２値化を行い出力している。図１４（Ｂ）は図１４（Ａ）の回路中において信号レベルがスケールＳＣＬの相対移動に伴って変化する様子を示す説明図である。
【００６８】
この実施形態は光源手段からの光量変動の影響を受けないで原点検出が行えるという特長に加えて図２，図３の原点アナログ信号が小さい場合や、図４，図５に示すように最大ピーク信号の近傍にそれよりは小さいが無視できないレベルのピーク信号がある場合にピーク信号間の振幅差を大きくしてコンパレータによる２値化がより安定して行えるようにする効果がある。
【００６９】
本発明に係る変位情報検出装置においてはインクリメンタル信号と原点信号とを同期させており、このときの方法について説明する。図１５（Ａ），（Ｂ）は本発明においてインクリメンタル信号と原点信号を同期させるときの実施形態５の説明図である。図１５（Ａ）に示すようにインクリメンタル信号用のスリット格子ＳＬＩＴ（Ａ），ＳＬＩＴ（Ｂ）の各スリット幅をＷ（Ａ，Ｂ）とし、原点スリット格子アレイＳＬＩＴ（Ｚ）のスリット幅をＷ（Ｚ）としたとき
Ｗ（Ａ，Ｂ）＝Ｗ（Ｚ）
を満たすようにしている。そして図１５（Ｂ）の２値化回路で得られるインクリメンタル信号Ａｏｕｔと原点信号Ｚｏｕｔの検出分解能は略等しくなる（但し原点アナログ信号のピーク信号を１／２電圧にて２値化して得られた原点デジタル信号の場合。）。
【００７０】
この実施形態ではインクリメンタル信号発生も、原点信号発生も同一のスケールＳＣＬにより空間に投影された明暗パターン及び集光光を同一のスリット板によって検出しているので、両者の検出のタイミングの相互ずれは生じにくい。即ち原点信号とインクリメンタル信号の関係は光学的，機械的に固定されるので、両者の信号が略同期する。
【００７１】
図１６は図１５（Ｂ）の回路中において原点信号レベル及びインクリメンタル信号レベルがスケールの移動に伴って変化する様子を示す説明図である。同図に示すように原点信号Ｚｏｕｔとインクリメンタル信号Ａｏｕｔとが略同期している。尚図中ＰＤ（Ａ）とＰＤ（Ａ−）は互いに位相が１８０°ずれたＡ相インクリメンタル信号用の受光素子である。
【００７２】
図１７（Ａ），（Ｂ）は本発明においてインクリメンタル信号と原点信号を同期させるときの実施形態６の説明図である。本実施形態では図１５の実施形態５に比べて
Ｗ（Ａ，Ｂ）＝Ｗ（Ｚ）／２
を略満たすようにしてインクリメンタル信号の検出分解能に対して原点信号の検出分解能をわざと１／２にしている。
【００７３】
そして図１７（Ｂ）の２値化回路を経て得られた原点信号Ｚ０とインクリメンタル信号Ａｏｕｔとを論理回路ＬＣによってＡＮＤをとることでインクリメンタル信号Ａｏｕｔと位相も含めて完全に同期した原点信号Ｚｏｕｔを得ている。
【００７４】
図１８は図１７（Ｂ）の回路中において原点信号レベル及びインクリメンタル信号レベルがスケールの相対移動に伴って変化する様子を示す説明図である。同図に示すように原点信号Ｚｏｕｔとインクリメンタル信号Ａｏｕｔとが完全に同期して出力されている。尚図中ＰＤ（Ａ）とＰＤ（Ａ−）は互いに位相が１８０°ずれたＡ相インクリメンタル信号用の受光素子である。
【００７５】
図１９は本発明の変位情報検出装置を８極ＡＣモータ制御用信号層（Ｃｓ相）付きのロータリーエンコーダに適用したときの光学構成の要部斜視図である。同図においてスケールＳＣＬはディスクスケールとして円形に構成している。スケールＳＣＬに形成されるインクリメンタル用のリニア位相格子は放射状の位相格子ＧＴ（Ａ），ＧＴ（Ｂ）として円形の帯状のトラック上に形成している。又スリット基板ＳＬＩＴに形成されるスリットはディスクスケールＳＣＬ上の放射状の位相格子ＧＴ（Ａ），ＧＴ（Ｂ）の放射中心軸を同じにする放射状のスリット格子ＳＬＩＴ（Ａ），ＳＬＩＴ（Ｂ）として形成している。
【００７６】
尚インクリメンタル信号は互いに９０°位相差のある４相信号Ａ，Ｂ，Ａ−，Ｂ−が検出されるように図９に示すようにスリット基板ＳＬＩＴ上のスリット格子をＳＬＩＴ（Ａ），ＳＬＩＴ（Ｂ），ＳＬＩＴ（Ａ−），ＳＬＩＴ（Ｂ−）として４分割し、互いに１／４ピッチずつずらして形成している。
【００７７】
又、受光手段ＰＤは４つのスリット格子に対応して４つの受光素子ＰＤ（Ａ），ＰＤ（Ｂ），ＰＤ（Ａ−），ＰＤ（Ｂ−）でそれぞれの信号光を受光している。８極ＡＣモータ制御用信号相（Ｃｓ相）の６つのパターンＣｓ−１，Ｃｓ−２，Ｃｓ−３，Ｃｓ−１−，Ｃｓ−２−，Ｃｓ−３−はスケール基板ＳＣＬ上に放射状の位相回折格子の有無によって形成され、それらを透過する光束のうち位相回折格子によって直進光の光量が低減されるので、６つのトラック上に互いに１２０°の位相差のある４周期／回転の実質的な明暗パターンとして形成している。そしてスリット基板ＳＬＩＴ上の窓部を透過して、夫々の受光素子ＰＤ（Ｃｓ−１）〜ＰＤ（Ｃｓ−３−）にて検出している。これらはすべてインクリメンタル信号と原点信号とともに並列的に検出している。
【００７８】
尚、以上の各実施形態では次のような構成の変更が可能である。
【００７９】
（Ｂ１）原点レンズアレイを屈折を利用した球面レンズアレイで構成すること。その場合は、微小レンズをレプリカ等の手法で透明基板表面に形成することができる。
【００８０】
（Ｂ２）原点レンズアレイを前述の実施形態ではすべてリニア回折レンズアレイで構成しているが、円形ゾーンプレートを位相格子にしたサーキュラー回折レンズアレイに変えてもよい。この場合はスリット基板上には点状集光光束があらわれる。同様に楕円回折レンズでもよい。
【００８１】
（Ｂ３）原点レンズアレイトラックにおいて原点レンズアレイ以外の部分を単なる透過部ではなく、回折格子等による非透過部、半透過部として処理してもよい。この場合原点アナログ信号のＳ／Ｎが多少向上する。
【００８２】
（Ｂ４）原点用パルス状信号を２値化しないでそのまま原点アナログ信号として出力すること。又は不要なピーク信号を適切な回路によって除去してから原点アナログ信号として出力すること。
【００８３】
（Ｂ５）リニアスケールをディスクスケールとして円形に変換し、そこに形成されるインクリメンタル信号用のリニア位相回折格子を放射状位相回折格子として円形の帯状のトラック上に形成し、スリット基板上のリニアスリットもディスクスケール上の放射状位相回折格子の放射中心軸を同じにする放射状スリットに変換して、回転変位情報を検出するロータリーエンコーダにすること。
【００８４】
（Ｂ６）スケール上に原点レンズアレイトラック、インクリメンタル信号用の位相回折格子トラックとともに、ＡＣモータ制御用信号用トラック等を並列配置し、かつ同受光素子アレイにて一括して受光して、インクリメンタル信号，原点信号，ＡＣモータ制御用信号（Ｃｓ相）を出力できるエンコーダにすること。
【００８５】
【発明の効果】
本発明によれば、集光光学系の別設を要さずに装置全体の小型化を図りつつ、インクリメンタル信号及び原点信号を高分解能で検出し、第１基板と第２基板又は第１基板と第３基板との相対的な変位情報を高精度に求めることのできる変位情報検出装置を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１におけるインクリメンタル信号検出光学系の説明図
【図２】本発明の実施形態１における原点アナログ信号検出の説明図
【図３】本発明の実施形態１における原点アナログ信号検出の他の実施形態の説明図
【図４】本発明の実施形態１における原点アナログ信号検出の他の実施形態の説明図
【図５】本発明の実施形態１における原点アナログ信号検出の他の実施形態の説明図
【図６】本発明の実施形態１における要部概略図
【図７】本発明の実施形態１における受光手段からの信号の説明図
【図８】本発明の実施形態１における原点デジタル信号への変換の説明図
【図９】本発明の実施形態２の要部概略図
【図１０】本発明の実施形態２における原点デジタル信号への変換の説明図
【図１１】本発明の実施形態３の要部概略図
【図１２】本発明の実施形態３における原点デジタル信号への変換の説明図
【図１３】本発明の実施形態４の要部概略図
【図１４】本発明の実施形態４における原点デジタル信号への変換の説明図
【図１５】本発明の実施形態５における原点信号とインクリメンタル信号の同期方法の説明図
【図１６】本発明の実施形態５における原点信号とインクリメンタル信号の同期方法の説明図
【図１７】本発明の実施形態６における原点信号とインクリメンタル信号の同期方法の説明図
【図１８】本発明の実施形態６における原点信号とインクリメンタル信号の同期方法の説明図
【図１９】本発明をＡＣモータ用制御信号検出を兼ね備えたロータリーエンコーダに適用したときの要部概略図
【符号の説明】
ＳＣＬ      スケール（第１基板）
ＧＴ（Ａ），ＧＴ（Ｂ）      位相格子
ＬＡ（Ｚ）      原点レンズアレイ
ＳＬＩＴ      スリット基板（第２基板）
ＳＬＩＴ（Ａ），ＳＬＩＴ（Ｂ），
ＳＬＩＴ（Ａ−），ＳＬＩＴ（Ｂ−）      スリット格子
ＳＬＩＴ（Ｚ）      原点スリット格子アレイ
ＬＧＴ      光源手段
ＬＮＳ      コリメーターレンズ
ＰＤ      受光手段
ＰＤ（Ａ），ＰＤ（Ｂ），
ＰＤ（Ａ−），ＰＤ（Ｂ−）      受光素子
ＰＤ（Ｚ）      原点受光素子
【図１】
0003566425.tif 000002
【図２】
0003566425.tif 000003
【図３】
0003566425.tif 000004
【図４】
0003566425.tif 000005
【図５】
0003566425.tif 000006
【図６】
0003566425.tif 000007
【図７】
0003566425.tif 000008
【図８】
0003566425.tif 000009
【図９】
0003566425.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
0003566425.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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