(57)【要約】【課題】不要な回折光の影響を除去して位置検出精度を向上できるエンコーダを提供すること。【解決手段】検出ヘッド２は、インクリメンタルパターン７が設けられたスケール１に対してＸ方向に相対的に移動可能であり、インクリメンタルパターン７で回折された回折光を検出し、検出結果を出力する。信号処理部３は、検出ヘッド２での検出結果に応じて、スケール１と検出ヘッド２との間の相対的な変位を算出する。検出ヘッド２は、光源４と、スケール１からの回折光の検出信号を出力する複数の受光要素１１がＸ方向に配列された受光部９が設けられた検出部５と、を有する。複数の受光要素１１は、Ｘ方向に偶数個配列される。複数の受光要素１１の配列の周期は、＋１次回折光と−１次回折光とによって受光部９上に生じる干渉縞の周期である基本周期の奇数倍である。受光要素１１のＸ方向の幅は基本周期の整数倍ではない値である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
インクリメンタルパターンが設けられたスケールと、
前記スケールに対して測定方向に相対的に移動可能であり、前記スケールに照射される光が前記インクリメンタルパターンで回折された回折光を検出し、検出結果を出力する検出ヘッドと、
前記検出ヘッドでの前記検出結果に応じて、前記スケールと前記検出ヘッドとの間の相対的な変位を算出する信号処理部と、を備え、
前記検出ヘッドは、
前記スケールに光を照射する光源と、
前記スケールからの前記回折光の検出信号を出力する複数の受光要素が前記測定方向に配列された受光部を有する検出部と、を備え、
前記複数の受光要素は、前記測定方向に偶数個配列され、
前記複数の受光要素の配列の周期は、前記回折光のうちで＋１次回折光と−１次回折光とによって前記受光部上に生じる干渉縞の周期である基本周期の奇数倍であり、
前記受光要素の前記測定方向の幅は、前記基本周期の整数倍ではない値である、
エンコーダ。        
【請求項２】
前記検出部には、前記スケールからの＋１次回折光、−１次回折光及び０次回折光が入射する、
請求項１に記載のエンコーダ。
【請求項３】
前記検出部は、複数の前記受光部が前記測定方向に配列され、
前記複数の受光部のうち、互いに隣接する２つの受光部は、前記測定方向に遠ざかるように、前記基本周期の１／４だけオフセットして配置される、
請求項１又は２に記載のエンコーダ。
【請求項４】
前記検出部では、第１及び第２の受光部が前記測定方向にこの順で配列され、
前記検出部は、前記第１の受光部からの検出信号をＡ相信号として前記信号処理部に出力し、前記第２の受光部からの検出信号をＢ相信号として前記信号処理部に出力する、
請求項３に記載のエンコーダ。
【請求項５】
前記検出部では、第１〜第４の受光部が前記測定方向にこの順で配列され、
前記検出部は、前記第１の受光部からの検出信号であるＡ相信号と前記第３の受光部からの検出信号であるＡ−相信号との間の差動信号である差動Ａ相信号と、前記第２の受光部からの検出信号であるＢ相信号と前記第４の受光部からの検出信号であるＢ−相信号との間の差動信号である差動Ｂ相信号と、を前記信号処理部に出力する、
請求項３に記載のエンコーダ。
【請求項６】
前記検出部は、複数の前記受光部が前記測定方向に配列され、
前記複数の受光部のうち、互いに隣接する２つの受光部は、前記測定方向に遠ざかるように、前記基本周期の１／３だけオフセットして配置される、
請求項１又は２に記載のエンコーダ。
【請求項７】
前記検出部では、第１〜第３の受光部が前記測定方向にこの順で配列され、
前記検出部は、前記第１の受光部からの検出信号であるＡ相信号と前記第２の受光部からの検出信号であるＢ相信号と前記第３の受光部からの検出信号であるＣ相信号とを合成して生成した、互いに位相が９０°異なる差動Ａ相信号及び差動Ｂ相信号を前記信号処理部に出力する、
請求項６に記載のエンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、移動量を測定する装置の一つとして、光学式エンコーダがある。光学式エンコーダは、スケールとスケールに沿って移動する検出ヘッドとを有する。スケールには、例えば、原点位置を検出するためのアブソリュートパターンと、スケールと検出ヘッドとの間の相対的な移動量を検出するためのインクリメンタルパターンとが設けられる。光学式エンコーダは、スケール上のアブソリュートパターンの検出結果である原点信号により原点位置を決定する。そして、原点位置を基準として、インクリメンタルパターンの検出結果から得られた移動量を考慮することで、スケールと検出ヘッドとの間の位置関係を検出することができる。
【０００３】
一般に、インクリメンタルパターンは、測定方向に複数の格子パターンが配列された回折格子として構成されている。この回折格子に光を照射し、回折格子で回折された＋１次回折光と−１次回折光とが干渉して生じる干渉縞の光強度を検出している。このような光学式エンコーダでは、＋１次回折光と−１次回折光とによる干渉縞を高精度に検出するため、干渉縞に対する０次回折光などの他の次数の回折光の影響を抑制する必要がある。
【０００４】
例えば、光源とスケールとの間に光学ブロックを配置して０次回折光を除去するエンコーダが提案されている（特許文献１）。このエンコーダでは、光源とスケールとの間にインデックス格子が挿入され、光源からの光が照射される。インデックス格子とスケールとの間には、０次回折光を遮蔽する遮蔽器が挿入される。この遮蔽器は、０次回折光を遮蔽し、かつ、＋１次回折光及び−１次回折光を遮蔽しない位置に配置される。そのため、＋１次回折光及び−１次回折光はスケールに到達するものの、０次回折光はスケールに到達しない。これにより、スケールから検出部に到達する光は＋１次回折光及び−１次回折光だけとなり、０次回折光の影響を回避することができる。
【０００５】
また、インデックス格子を用いたエンコーダの他の例が提案されている（特許文献２）。このエンコーダでは、光源からスケールに光を照射し、透過した回折光を検出する。スケールと検出部との間にはインデックス格子が挿入され、スケールからの回折光のうち、＋１次回折光及び−１次回折光が入射する位置にのみ回折格子が形成され、０次回折光を含む他の回折光は遮断される。インデックス格子に入射した＋１次回折光及び−１次回折光は回折格子で回折され、検出部上に干渉縞が生じる。これにより、スケールから検出部に到達する光は＋１次回折光及び−１次回折光だけとなり、０次回折光の影響を回避することができる。
【０００６】
更に、空間フィルタを用いて０次回折光を除去するエンコーダが提案されている（非特許文献１）。このエンコーダでは、スケールにレーザ光を照射し、生じた回折光をコリメータレンズで平行化する。そして、コリメータレンズから出射する平行化された各次の回折子のうち、＋１次回折光及び−１次回折光のみを通過させる位置にだけスリットが設けられた空間フィルタを用いることで、０次回折光を含む他の回折光を遮断する。その後、収束レンズで＋１次回折光及び−１次回折光を検出部に収束することで、検出部上に干渉縞を生じさせることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第２６１９５６６号公報
【特許文献２】特許第４８５６８４４号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】羽根 一博、他２名、「金属表面回折格子を用いた光エンコーダ」、精密工学会誌、Ｖｏｌ．６４、Ｎｏ．１０、１９９８年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、上記のエンコーダには、以下で説明する問題点がある。上記では、０次回折光の影響を除去するため、インデックス格子、レンズ、空間フィルタといた光学要素を追加する必要がある。そのため、エンコーダの大型化及び構造の複雑化を招いてしまう。
【００１０】
また、上記のいずれの例でも、＋１次回折光及び−１次回折光と他の回折光とを、回折角の相違を利用して分離している。そのため、回折光を精度よく分離しようとすると、各光学要素間の距離を大きくしないと各次の回折光の離隔距離を大きくできないので、エンコーダが更に大型化してしまう。
【００１１】
本発明は、上記の事情に鑑みて成されたものであり、本発明の目的は、不要な回折光を除去して位置検出精度を向上できるエンコーダを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の第１の態様であるエンコーダは、
インクリメンタルパターンが設けられたスケールと、
前記スケールに対して測定方向に相対的に移動可能であり、前記スケールに照射される光が前記インクリメンタルパターンで回折された回折光を検出し、検出結果を出力する検出ヘッドと、
前記検出ヘッドでの前記検出結果に応じて、前記スケールと前記検出ヘッドとの間の相対的な変位を算出する信号処理部と、を備え、
前記検出ヘッドは、
前記スケールに光を照射する光源と、
前記スケールからの前記回折光の検出信号を出力する複数の受光要素が前記測定方向に配列された受光部を有する検出部と、を備え、
前記複数の受光要素は、前記測定方向に偶数個配列され、
前記複数の受光要素の配列の周期は、前記回折光のうちで＋１次回折光と−１次回折光とによって前記受光部上に生じる干渉縞の周期である基本周期の奇数倍であり、
前記受光要素の前記測定方向の幅は、前記基本周期の整数倍ではない値である、ものである。
【００１３】
本発明の第２の態様であるエンコーダは、上記のエンコーダであって、
前記検出部には、前記スケールからの＋１次回折光、−１次回折光及び０次回折光が入射する、ものである。
【００１４】
本発明の第３の態様であるエンコーダは、上記のエンコーダであって、
前記検出部は、複数の前記受光部が前記測定方向に配列され、
前記複数の受光部のうち、互いに隣接する２つの受光部は、前記測定方向に遠ざかるように、前記基本周期の１／４だけオフセットして配置される、ものである。
【００１５】
本発明の第４の態様であるエンコーダは、上記のエンコーダであって、
前記検出部では、第１及び第２の受光部が前記測定方向にこの順で配列され、
前記検出部は、前記第１の受光部からの検出信号をＡ相信号として前記信号処理部に出力し、前記第２の受光部からの検出信号をＢ相信号として前記信号処理部に出力する、ものである。
【００１６】
本発明の第５の態様であるエンコーダは、上記のエンコーダであって、
前記検出部では、第１〜第４の受光部が前記測定方向にこの順で配列され、
前記検出部は、前記第１の受光部からの検出信号であるＡ相信号と前記第３の受光部からの検出信号であるＡ−相信号との間の差動信号である差動Ａ相信号と、前記第２の受光部からの検出信号であるＢ相信号と前記第４の受光部からの検出信号であるＢ−相信号との間の差動信号である差動Ｂ相信号と、を前記信号処理部に出力する、ものである。
【００１７】
本発明の第６の態様であるエンコーダは、上記のエンコーダであって、
前記検出部は、複数の前記受光部が前記測定方向に配列され、
前記複数の受光部のうち、互いに隣接する２つの受光部は、前記測定方向に遠ざかるように、前記基本周期の１／３だけオフセットして配置される、ものである。
【００１８】
本発明の第７の態様であるエンコーダは、上記のエンコーダであって、
前記検出部では、第１〜第３の受光部が前記測定方向にこの順で配列され、
前記検出部は、前記第１の受光部からの検出信号であるＡ相信号と前記第２の受光部からの検出信号であるＢ相信号と前記第３の受光部からの検出信号であるＣ相信号とを合成して生成した、互いに位相が９０°異なる差動Ａ相信号及び差動Ｂ相信号を前記信号処理部に出力する、ものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、不要な回折光を除去して位置検出精度を向上できるエンコーダを提供することができる。
【００２０】
本発明の上述及び他の目的、特徴、及び長所は以下の詳細な説明及び付随する図面からより完全に理解されるだろう。付随する図面は図解のためだけに示されたものであり、本発明を制限するためのものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】実施の形態１にかかる光学式エンコーダ１００の概略構成を示す斜視図である。
【図２】実施の形態１にかかる光学式エンコーダ１００の構成を示す斜視図である。
【図３】＋１次回折光と−１次回折光とによって検出部上に生じる干渉縞を示す図である。
【図４】＋１次回折光、−１次回折光及び０次回折光によって検出部上に生じる干渉縞を示す図である。
【図５】実施例１にかかる干渉縞と受光要素との関係を示す図である。
【図６】実施例２にかかる干渉縞と受光要素との関係を示す図である。
【図７】実施例３にかかる干渉縞と受光要素との関係を示す図である。
【図８】実施例４にかかる干渉縞と受光要素との関係を示す図である。
【図９】実施例５にかかる干渉縞と受光要素との関係を示す図である。
【図１０】比較例１にかかる干渉縞と受光要素との関係を示す図である。
【図１１】比較例２にかかる干渉縞と受光要素との関係を示す図である。
【図１２】比較例３にかかる干渉縞と受光要素との関係を示す図である。
【図１３】比較例４にかかる干渉縞と受光要素との関係を示す図である。
【図１４】実施の形態２にかかる受光部の構成を模式的に示す図である。
【図１５】実施の形態２にかかる受光部の他の構成を模式的に示す図である。
【図１６】実施の形態２にかかる受光部の他の構成を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。各図面においては、同一要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略される。
【００２３】
実施の形態１
本発明の実施の形態１にかかる光学式エンコーダについて説明する。図１は、実施の形態１にかかる光学式エンコーダ１００の概略構成を示す斜視図である。ここでは、光学式エンコーダ１００が透過式エンコーダとして構成される場合について説明する。図１に示すように、光学式エンコーダ１００は、スケール１、検出ヘッド２及び信号処理部３を有する。スケール１と検出ヘッド２とは、スケール１の長手方向である測定方向（図１のＸ軸方向）に沿って相対的に移動が可能なように構成される。スケール１は、位置検出に用いるパターンが設けられ、パターンに光が照射されることで干渉光が生じる。検出ヘッド２は、干渉光の測定方向の変化を検出し、検出結果を示す電気信号である検出信号ＤＥＴを信号処理部３に出力する。信号処理部３は、受け取った検出信号ＤＥＴを信号処理することで、スケール１と検出ヘッド２との間の位置関係を算出することができる。
【００２４】
なお、以下では、測長方向（図１のＸ軸方向）に対して垂直、かつ、スケール１の幅を示す方向をＹ軸とする。すなわち、スケール１の主面は、Ｘ−Ｙ平面となる。また、スケール１の主面（Ｘ−Ｙ平面）に垂直、すなわちＸ軸及びＹ軸に垂直な方向をＺ軸とする。また、以下で参照する斜視図では、紙面左下手前から右上奥へ向かう方向を、Ｘ軸の正方向とする。紙面右下手前から左上奥へ向かう方向を、Ｙ軸の正方向とする。紙面下側から上側へ向かう方向を、Ｚ軸の正方向とする。
【００２５】
光学式エンコーダ１００について、より詳細に説明する。図２は、実施の形態１にかかる光学式エンコーダ１００の構成を示す斜視図である。図２に示すように、検出ヘッド２は、光源４及び検出部５を有する。上述のように、スケール１と検出ヘッド２とは、測定方向（図２のＸ軸方向）に相対的に移動可能に構成される。
【００２６】
光源４は、平行光４Ａを出力する光源である。光源４は、例えば、光源素子及びコリメータを有する。光源が出力した光は、コリメータでコリメートされることで平行光４Ａとなる。光源素子としては、例えば、ＬＥＤ（Light Emitting Diode：発光ダイオード）、半導体レーザ、ＳＬＥＤ（Self-Scanning Light Emitting Device：自己走査型発光素子）、ＯＬＥＤ（Organic light-emitting diode：有機発光ダイオード）などを用いることができる。また、コリメータとしては、レンズ光学系などの様々なコリメート手段を用いることができる。
【００２７】
スケール１は、図２のＺ軸に垂直な面（Ｘ−Ｙ平面）を主面とし、Ｘ軸方向を長手方向とする板状の部材である。スケール１は、光源４からの平行光４Ａが主面（Ｘ−Ｙ平面）に垂直に入射する位置に配置される。図２では、スケール１は、光源４に対してＺ軸の負方向側に配置される。
【００２８】
スケール１を構成する板状部材には、原点パターン６及びインクリメンタルパターン７が形成される。
【００２９】
原点パターン６では、典型的には、図２のＹ軸を長手方向とする格子状の光透過部６Ａが１つ形成される。但し、原点パターン６のパターンはこの例に限られず、複数の格子パターンからなるものなど、適宜他のパターンを適用してもよい。
【００３０】
インクリメンタルパターン７では、図２のＹ軸を長手方向とする格子状の光透過部が、Ｘ軸方向に並んで複数配置される。つまり、インクリメンタルパターン７では、光透過部７Ａと不透過部７Ｂとが、Ｘ軸方向に交互に、かつ、ピッチｇにて繰り返して配置される。
【００３１】
スケール１は、ガラスで構成されることが望ましい。この場合、例えば、ガラスに蒸着された金属膜で不透過部が形成され、金属膜が存在しない領域が光透過部となる。但し、光を透過する格子状の光透過部と、光を透過しない不透過部を構成できる材料であれば、いずれもスケール１を構成する材料として用いることができる。
【００３２】
検出部５は、スケール１を通過した光を検出可能に構成される。検出部５は、受光部８及び受光部９を有する。受光部８と受光部９とは、Ｙ軸方向に並んで配置される。検出部５は、受光部８及び９が出力する信号を検出信号ＤＥＴとして出力する。
【００３３】
受光部８は、原点パターン６を透過した光を検出可能に構成され、検出結果を信号処理部３へ出力する。この例では、原点パターン６の光透過部６Ａを透過した光を検出するため、受光素子１０が配置されている。これにより、受光部８は、原点パターン６の光透過部６Ａを通過した光を光電変換して得られた電気信号を、信号処理部３へ出力する。
【００３４】
受光部９は、インクリメンタルパターン７を通過した光を検出可能に構成され、検出結果を信号処理部３へ出力する。例えば、受光部９は、インクリメンタルパターン７を通過した光を光電変換して得られた電気信号を、信号処理部３へ出力する。受光部９は、インクリメンタルパターン７で回折された光による干渉縞の検出に好適なピッチで、複数の受光要素１１（例えばフォトダイオード）が偶数個配列された受光素子アレイとして構成される。
【００３５】
また、受光部９は、受光面積の大きなフォトダイオードの上に、光透過部が偶数個設けられた回折格子を配置した構成としてもよい。この場合、光透過部が設けられた部位のそれぞれが、実質的に上述した受光要素として機能する。
【００３６】
次いで、受光部９上に生じる干渉縞について説明する。インクリメンタルパターン７を透過した光は回折され、受光部９上に回折光による干渉縞を生じさせる。ここでは、まず、＋１次回折光と−１次回折光とによって受光部９上に生じる干渉縞２０について説明する。図３は、＋１次回折光と−１次回折光とによって受光部９上に生じる干渉縞２０を示す図である。図３に示すように、受光部９上には、＋１次回折光と−１次回折光とによって、周期Ｐの干渉縞２０が生じる。以下では、＋１次回折光と−１次回折光とによって受光部９上に生じる干渉縞２０の周期を、基本周期Ｐと称する。
【００３７】
しかしながら、受光部９には、インクリメンタルパターン７を透過した＋１次回折光と−１次回折光以外の次数の回折光も入射する。このうち、０次回折光は光強度が大きいため、受光部９上に生じる干渉縞は０次回折光の影響を受けることとなる。
【００３８】
図４は、＋１次回折光、−１次回折光及び０次回折光によって受光部９上に生じる干渉縞３０を示す図である。図４に示すように、＋１次回折光、−１次回折光及び０次回折光によって受光部９上に生じる干渉縞３０は、高いピーク３１と低いピーク３２とが交互に現れる。高いピーク３１と低いピーク３２とは、互いに基本周期Ｐだけ離隔しているので、干渉縞３０は、高いピーク３１と低いピーク３２とが、基本周期Ｐの２倍の周期２Ｐで繰り返し現れる波形を有する。よって、単に干渉縞３０の光強度を光電変換してしまうと、変換結果を示す出力信号ＯＵＴも、基本周期Ｐの２倍の周期２Ｐで高いピークと低いピークとが繰り返し現れる波形となってしまう。
【００３９】
これに対し、光学式エンコーダ１００では、受光部９の受光要素の構成及び配置を以下の設計条件に則ることで、上記の０次回折光などの不要な干渉項の影響を抑制している。以下、本実施の形態における受光部９の受光要素１１の構成及び配置について、詳細に説明する。受光部９には、以下の設計条件１〜３を満たすように、複数の受光要素１１がＸ方向に配列される。
【００４０】
[設計条件１]
本実施の形態では、受光部９の受光要素１１のＸ方向の配列数が偶数個となるように配置される。以下、この条件を設計条件１と称する。
【００４１】
[設計条件２]
また、本実施の形態では、受光部９の受光要素１１は、Ｘ方向の配置周期が干渉縞の基本周期Ｐの奇数倍となるように配置される。以下、この条件を設計条件２と称する。
【００４２】
[設計条件３]
更に、本実施の形態では、各受光要素１１は、Ｘ方向の幅Ｗが干渉縞の基本周期Ｐの整数倍とならないように構成される。以下、この条件を設計条件３と称する。
【００４３】
上記の設計条件１〜３を満たすことで、受光部９は、０次回折光によって干渉縞３０にもたらされた基本周期Ｐの２倍の周期性の影響を除去し、基本周期Ｐで変動する出力信号を得ることができる。以下、そのメカニズムについて、実施例を用いて説明する。
[実施例１]
図５に、実施例１にかかる干渉縞と受光要素との関係を示す。実施例１では、受光要素の配列数を１０、受光要素の配置周期を干渉縞の基本周期Ｐの１倍、受光要素の幅Ｗを干渉縞の基本周期Ｐの０．５倍とした。なお、この例では、受光要素１１Ａと受光要素１１Ｂとが交互に配列されるものとした。
【００４４】
図５に示すように、受光要素１１Ａに着目すると、受光要素１１Ａは基本周期Ｐの２倍の周期２Ｐで配列されている。受光要素１１Ｂに着目すると、受光要素１１Ｂは基本周期Ｐの２倍の周期２Ｐで配列されている。つまり、受光要素１１Ａは基本周期Ｐの２倍の周期２Ｐで変動する干渉縞の位相θでの光強度を検出し、受光要素１１Ｂは基本周期Ｐの２倍の周期２Ｐで変動する干渉縞の位相（θ＋２π）での光強度を検出する。
【００４５】
受光要素の配列数の１／２をｎ、受光要素１１Ａ及び１１Ｂのそれぞれが位相θにおいて検出する光の強度をＩ（θ）とする。位相θは、基本周期Ｐに対して定義されるものであり、位相が２π変化するごとに干渉縞が基本周期Ｐだけ移動することとなる。また、上述したように、干渉縞３０は基本周期Ｐの２倍の周期を有するので、受光要素１１Ａ及び１１Ｂのそれぞれが位相θにおいて検出する光強度Ｉ（θ）は、位相４πごとに同じ値となる。つまり、Ｉ（θ）≠Ｉ（θ＋２π）、Ｉ（θ）＝Ｉ（θ＋４π）が成立する。この関係は、以下の実施例及び比較例においても同様に成立する。以下、説明した条件下において、受光部９が検出する光の強度をＩＴＯＴＡＬとすると、以下の式[１]が成立する。
ＩＴＯＴＡＬ＝ｎＩ（θ）＋ｎＩ（θ＋２π）        [１]
【００４６】
式[１]は、式[２]に示すように、位相２πごとに同一の値をとるので、ＩＴＯＴＡＬは基本周期Ｐを周期として同じ強度のピークが出現することとなる。
ＩＴＯＴＡＬ＝ｎＩ（θ＋２π）＋ｎＩ（θ＋２π＋２π）
＝ｎＩ（θ＋２π）＋ｎＩ（θ）
＝ｎＩ（θ）＋ｎＩ（θ＋２π）              [２]
これにより、基本周期Ｐで増減する出力信号ＯＵＴが得られることが理解できる。
【００４７】
[実施例２]
図６に、実施例２にかかる干渉縞と受光要素との関係を示す。実施例２では、受光要素の配置数を４、受光要素の配置周期を干渉縞の基本周期Ｐの３倍、受光要素の幅Ｗを干渉縞の基本周期Ｐの０．５倍とした。この例では、受光要素１１Ａと受光要素１１Ｂとが交互に配列されるものとした。
【００４８】
図６に示すように、受光要素１１Ａに着目すると、受光要素１１Ａは基本周期Ｐの６倍の周期６Ｐで配列されている。受光要素１１Ｂに着目すると、受光要素１１Ｂは基本周期Ｐの６倍の周期６Ｐで配列されている。つまり、受光要素１１Ａは基本周期Ｐの２倍の周期２Ｐで変動する干渉縞の位相θでの光強度を検出し、受光要素１１Ｂは基本周期Ｐの２倍の周期２Ｐで変動する干渉縞の位相（θ＋６π）での光強度を検出する。
【００４９】
受光要素の配列数の１／２をｎ、受光要素１１Ａ及び１１Ｂのそれぞれが位相θにおいて検出する光の強度をＩ（θ）、受光部９が検出する光の強度をＩＴＯＴＡＬとすると、以下の式[３]が成立する。
ＩＴＯＴＡＬ＝ｎＩ（θ）＋ｎＩ（θ＋６π）
＝ｎＩ（θ）＋ｎＩ（θ＋２π＋４π）
＝ｎＩ（θ）＋ｎＩ（θ＋２π）        [３]
つまり、式[３]は、実施例１の式[１]と同じとなる。よって、実施例１と同様に、ＩＴＯＴＡＬは基本周期Ｐを周期として同じ強度のピークが出現することとなる。これにより、基本周期Ｐで増減する出力信号ＯＵＴが得られることが理解できる。
【００５０】
[実施例３]
図７に、実施例３にかかる干渉縞と受光要素との関係を示す。実施例３では、受光要素の配置数を４、受光要素の配置周期を干渉縞の基本周期Ｐの３倍、受光要素の幅Ｗを干渉縞の基本周期Ｐの１．５倍とした。この例では、受光要素１１Ａと受光要素１１Ｂとが交互に配列されるものとした。
【００５１】
この構成では、実施例１及び２と比べて受光要素の幅は異なるものの、受光要素１１Ａは同一の波形を検出し、受光要素１１Ｂも同一の波形を検出し、かつ受光要素１１Ａの数と受光要素１１Ｂの数とが同一である。よって、実施例１と同様に式[１]及び[２]が成立する。その結果、実施例２と同様に、基本周期Ｐで増減する出力信号ＯＵＴが得られる。
【００５２】
[実施例４]
図８に、実施例４にかかる干渉縞と受光要素との関係を示す。実施例４では、受光要素の配置数を２、受光要素の配置周期を干渉縞の基本周期Ｐの５倍、受光要素の幅Ｗを干渉縞の基本周期Ｐの１．５倍とした。この例では、受光要素１１Ａと受光要素１１Ｂとが交互に配列されるものとした。
【００５３】
この構成では、実施例３と比べて受光要素の数及び幅が異なるものの、受光要素１１Ａと受光要素１１Ｂとは、基本周期Ｐの５倍離れているので、結果として上記の式[１]及び[２]が成立する。その結果、実施例３と同様に、基本周期Ｐで増減する出力信号ＯＵＴが得られる。
【００５４】
[実施例５]
実施例５は、実施例２の変形例であり、４相信号を得られる例について示す。図９に、実施例５にかかる干渉縞と受光要素との関係を示す。実施例５では、各相の受光要素の配置数を偶数個、各相の受光要素の配置周期を干渉縞の基本周期Ｐの３倍、各相の受光要素の幅Ｗを干渉縞の基本周期Ｐの０．５倍とした。また、この例では、Ａ相、Ｂ相、Ａ−相及びＢ−相にかかる受光要素を、それぞれ符号Ａ、Ｂ、Ａ−及びＢ−を用いて表示した。
【００５５】
図９に示すように、Ａ相、Ｂ相、Ａ−相、Ｂ−相にかかる受光要素１２〜１５は、それぞれ、実施例２にかかる受光要素１１（受光要素１１Ａ及び１１Ｂ）と同様に配列されている。換言すれば、互いに隣接する受光要素の配列周期は基本周期Ｐの０．７５倍であるものの、４相信号を得る構成としているので、各相にかかる受光要素に着目すると、受光要素の配列は実施例２と同様となる。つまり、実施例５によれば、実施例２と同様に、不要な干渉光の影響を受けることなく、基本周期Ｐで増減する出力信号ＯＵＴが得られる。
【００５６】
また、実施例と比較するため、上記の設計条件１〜３のいずれかを満たさない場合の比較例について検討する。
[比較例１]
図１０に、比較例１にかかる干渉縞と受光要素との関係を示す。比較例１では、受光要素の配置数を３、受光要素の配置周期を干渉縞の基本周期Ｐの３倍、受光要素の幅Ｗを干渉縞の基本周期Ｐの０．５倍とした。この例では、受光要素１１Ａと受光要素１１Ｂとが交互に配列されるものとした。つまり、比較例１は、上述した設計条件１を満たしていない。
【００５７】
受光要素の配列数を２で除したときの商をｍ、受光要素１１Ａ及び１１Ｂのそれぞれが位相θにおいて検出する光の強度をＩ（θ）、受光部９が検出する光の強度をＩＴＯＴＡＬとすると、以下の式[４]が成立する。
ＩＴＯＴＡＬ＝（ｍ＋１）Ｉ（θ）＋ｍＩ（θ＋２π）        [４]
【００５８】
式[４]において、位相が２π、すなわち基本周期Ｐだけ変動すると、以下の式[５]が得られる。
ＩＴＯＴＡＬ＝（ｍ＋１）Ｉ（θ＋２π）＋ｍＩ（θ＋２π＋２π）
＝（ｍ＋１）Ｉ（θ＋２π）＋ｍＩ（θ）                [５]
上述したように、干渉縞は基本周期Ｐの２倍の周期２Ｐで変動するため、基本周期Ｐだけ離れた位置での干渉縞の光強度は等しくない。そのため、式[３]と式[４]とでは、ＩＴＯＴＡＬの値が異なることとなる。
【００５９】
式[４]において、位相が４π、すなわち基本周期Ｐの２倍だけ変動すると、以下の式[６]が得られる。
ＩＴＯＴＡＬ＝（ｍ＋１）Ｉ（θ＋４π）＋ｍＩ（θ＋２π＋４π）
＝（ｍ＋１）Ｉ（θ）＋ｍＩ（θ＋２π）                [６]
よって、式[５]は、式[３]と同一となる。つまり、ＩＴＯＴＡＬは基本周期Ｐの２倍を周期として同じ強度のピークが出現することとなる。その結果、出力信号ＯＵＴは、干渉縞３０と同じように基本周期Ｐの２倍を周期として変動する、異なる強度のピークが混在する波形の信号となり、位置検出の精度が低下してしまう。
【００６０】
[比較例２]
図１１に、比較例２にかかる干渉縞と受光要素との関係を示す。比較例２では、受光要素の配置数を４、受光要素の配置周期を干渉縞の基本周期Ｐの２倍、受光要素の幅Ｗを干渉縞の基本周期Ｐの０．５倍とした。この例では、受光要素１１Ａと受光要素１１Ｂとが交互に配列されるものとした。つまり、比較例２は、上述した設計条件２を満たしていない。
【００６１】
図１１に示すように、受光要素１１Ａに着目すると、受光要素１１Ａは基本周期Ｐの４倍の周期４Ｐで配列されている。受光要素１１Ｂに着目すると、受光要素１１Ｂは基本周期Ｐの４倍の周期４Ｐで配列されている。
【００６２】
受光要素の配列数の１／２をｎ、受光要素１１Ａ及び１１Ｂのそれぞれが検出する光の強度をＩ（θ）、受光部９が検出する光の強度をＩＴＯＴＡＬとすると、以下の式[７]が成立する。
ＩＴＯＴＡＬ＝ｎＩ（θ）＋ｎＩ（θ＋４π）
＝２ｎＩ（θ）                        [７]
【００６３】
つまり、式[６]に示すように、ＩＴＯＴＡＬは位相θにおける干渉縞の光の強度をそのまま反映するため、干渉縞と同様に基本周期の２倍の周期２Ｐで変動することとなる。その結果、出力信号ＯＵＴは、干渉縞３０と同じように基本周期Ｐの２倍を周期として変動する、異なる強度のピークが混在する波形の信号となり、位置検出の精度が低下してしまう。
【００６４】
[比較例３]
図１２に、比較例３にかかる干渉縞と受光要素との関係を示す。比較例３では、受光要素の配置数を４、受光要素の配置周期を干渉縞の基本周期Ｐの３倍、受光要素の幅Ｗを干渉縞の基本周期Ｐの１倍とした。この例では、受光要素１１Ａと受光要素１１Ｂとが交互に配列されるものとした。つまり、比較例３は、上述した設計条件３を満たしていない。
【００６５】
この例では、実施例２と同様に、受光要素１１Ａが検出する干渉縞の波形は同一となり、かつ、受光要素１１Ｂが検出する干渉縞の波形は同一となる。しかし、受光要素の幅Ｗが基本周期Ｐと一致しているために、受光部９からの出力信号ＯＵＴが平滑化されてしまい、出力信号ＯＵＴの周期が基本周期Ｐの２倍となってしまう。つまり、基本周期Ｐよりも出力信号ＯＵＴの周期が大きくなってしまい、その分だけ位置検出の精度が低下してしまうこととなる。
【００６６】
この例では、受光要素の幅Ｗが基本周期Ｐの１倍である場合について説明したが、受光要素の幅Ｗが基本周期Ｐの奇数倍である場合でも同様に成立する。
【００６７】
[比較例４]
図１３に、比較例４にかかる干渉縞と受光要素との関係を示す。比較例４では、受光要素の配置数を４、受光要素の配置周期を基本周期Ｐの３倍、受光要素の幅Ｗを基本周期Ｐの２倍とした。つまり、比較例４は、上述した設計条件３を満たしていない。
【００６８】
この例では、実施例２と同様に、受光要素１１Ａが検出する干渉縞の波形は同一となり、かつ、受光要素１１Ｂが検出する干渉縞の波形は同一となる。しかし、受光要素の幅Ｗが基本周期Ｐの２倍であり、干渉縞３０の周期と一致しているため、受光部９が検出する光の強度が一定となってしまう。その結果、出力信号ＯＵＴは周期性を有しない信号となってしまい、位置検出を行うことができなくなってしまう。
【００６９】
この例では、受光要素の幅Ｗが基本周期Ｐの２倍である場合について説明したが、受光要素の幅Ｗが基本周期Ｐの偶数倍である場合でも同様に成立する。
【００７０】
以上では、不要な回折光のうち、最も大きく影響する０次回折光に着目したが、本実施の形態かかる構成は、他の次数の不要な回折光による影響も抑制することができる。以下、そのメカニズムについて、＋２次回折光及び−２次回折光による影響の抑制について説明する。
【００７１】
ここで、＋２次回折光の複素振幅をｕ＋２、＋１次回折光の複素振幅をｕ＋１、０次回折光の複素振幅をｕ０、−１次回折光の複素振幅をｕ−１、−２次回折光の複素振幅をｕ−２と表すと、受光部９上に生じる干渉縞は、これらの５つの複素振幅と、５つの複素振幅と共役な複素振幅の掛け合わせの総和Ｉとして表現できる。ここで、各次数の回折光の複素振幅に共役には、上部に線を表示することで表した。
【数１】
2018105845.tif 000003
【００７２】
上式の各項が示す干渉縞の周期は、２つの回折光の進行方向から算出することができる。＋１次回折光及び−１次回折光による干渉縞の基本周期Ｐであるので、各項の干渉縞の周期は、以下の表に示す通りとなる。
【表１】
2018105845.tif 000004
【００７３】
０次回折光と＋１次回折光とによる干渉縞、０次回折光と−１次回折光とによる干渉縞とは、これまで説明したように、基本周期Ｐの２倍の周期であるので、本構成により、影響を除去することが可能である。
【００７４】
＋１次回折光と＋２次回折光とによる干渉縞、及び、−１次回折光と−２次回折光とによる干渉縞は、基本周期Ｐの２倍の周期であるので、本構成により、これらの干渉縞の影響を除去することが可能である。
【００７５】
−１次回折光と＋２次回折光とによる干渉縞、及び、＋１次回折光と−２次回折光とによる干渉縞は、基本周期Ｐの２／３倍の周期である。この場合、結果的に、受光要素１１Ａ及び１１Ｂの配置によって不要干渉光の影響は除去される。
【００７６】
よって、本構成によれば、＋２次回折光及び−２次回折光による干渉縞の影響の一部、すなわち基本周期の２倍及び２／３倍の周期を持つ干渉縞の影響を除去することが可能である。
【００７７】
一方で、−２次回折光と＋２次回折光とによる干渉縞は基本周期Ｐの１／２倍の周期を有しているが、この干渉縞の影響は除去されずに残存することとなる。しかし、−２次回折光及び＋２次回折光の光強度は、０次回折光、−１次回折光及び＋１次回折光に光強度よりも有意に小さいので、その影響は比較的軽微である。よって、上記の通り、他の次数の不要回折光に起因する影響を除去することで、−２次回折光と＋２次回折光とによる干渉縞の影響を除去せずとも、位置検出精度を十分に向上させることができる。
【００７８】
また、上述では、基本周期の２／３倍及び２倍の周期を有する干渉成分を除去できると説明したが、３次以上の次数の回折光が混入する場合まで考慮すると、ｎを０以上の整数としたときに、生成される全ての干渉縞のうちで基本周期Ｐの２／（２×ｎ＋１）倍の周期を有する干渉成分を除去できるものとして一般化することが可能である。つまり、本構成によれば、１次より大きい高次回折光の混入によって生じる不要干渉成分のうち、所定の周期を有する成分を除去できることが理解できる。
【００７９】
以上、本構成によれば、不要な回折光を除去するための光学要素などを追加することなく、不要な回折光の影響を抑制ないしは防止することができる。従って、エンコーダの物理的寸法が拡大することはないので、エンコーダの小型化を図る上で有利である。
【００８０】
実施の形態２
本発明の実施の形態２にかかる光学式エンコーダについて説明する。本実施の形態では、受光部９の変形例について説明する。図１４は、実施の形態２にかかる受光部の構成を模式的に示す図である。受光部４０は、２つの検出領域４１及び４２が、Ｘ方向に配列されている。なお、検出領域４１及び４２は、それぞれ第１及び第２の受光部とも称する。
【００８１】
検出領域４１及び４２は、それぞれ実施の形態１にかかる受光部９と同様の構成を有する。但し、検出領域４２の受光要素は、検出領域４１の受光要素に対して、基本周期Ｐの１／４だけＸ方向にオフセットして配置されている。つまり、検出領域４１及び４２は、Ｘ方向で遠ざかるように基本周期Ｐの１／４だけＸ方向にオフセットして配置されている。この場合、検出領域４１及び４２の連結部において最も近距離の受光要素間の距離は、１．２５Ｃとなる。
【００８２】
本構成によれば、検出領域４１がＡ相信号（０°）を出力し、検出領域４２がＢ相信号（９０°）を出力することができる。このように、位相差信号を生成することで、より高精度な位置検出を実現することができる。
【００８３】
また、受光部の他の構成例について説明する。図１５は、実施の形態２にかかる受光部の他の構成を模式的に示す図である。受光部５０は、４つの検出領域５１〜５４が、Ｘ方向にこの順で配列されている。検出領域５１〜５４は、それぞれ実施の形態１にかかる受光部９と同様の構成を有する。なお、検出領域５１〜５４は、それぞれ第１〜第４の受光部とも称する。
【００８４】
検出領域５２の受光要素は、検出領域５１の受光要素に対して、基本周期Ｐの１／４だけＸ方向にオフセットして配置されている。検出領域５３の受光要素は、検出領域５２の受光要素に対して、基本周期Ｐの１／４だけＸ方向にオフセットして配置されている。検出領域５４の受光要素は、検出領域５３の受光要素に対して、基本周期Ｐの１／４だけＸ方向にオフセットして配置されている。つまり、検出領域５１〜５４は、隣接する２つの受光部がＸ方向で遠ざかるように基本周期Ｐの１／４だけＸ方向にオフセットして配置されている。この場合、隣接する２つの受光部の連結部において最も近距離の受光要素間の距離は、１．２５Ｃとなる。
【００８５】
本構成によれば、検出領域５１がＡ相信号（０°）、検出領域５２がＢ相信号（９０°）、検出領域５３がＡ−相信号（１８０°）、検出領域５４がＢ−相信号（２７０°）を出力することができる。これにより、Ａ相信号（０°）及びＡ−相信号（１８０°）から差動Ａ相信号を生成し、Ｂ相信号（９０°）及びＢ−相信号（２７０°）から差動Ｂ相信号を生成することができる。このように、位相差信号を生成することで、より高精度な位置検出を実現することができる。
【００８６】
更に、受光部の他の構成例について説明する。図１６は、実施の形態２にかかる受光部の他の構成を模式的に示す図である。受光部６０は、３つの検出領域６１〜６３が、Ｘ方向にこの順で配列されている。検出領域６１〜６３は、それぞれ実施の形態１にかかる受光部９と同様の構成を有する。なお、検出領域６１〜６３は、それぞれ第１〜第３の受光部とも称する。
【００８７】
検出領域６２の受光要素は、検出領域６１の受光要素に対して、基本周期Ｐの１／３だけＸ方向にオフセットして配置されている。検出領域６３の受光要素は、検出領域６２の受光要素に対して、基本周期Ｐの１／３だけＸ方向にオフセットして配置されている。つまり、検出領域６１〜６４は、隣接する２つの受光部がＸ方向で遠ざかるように基本周期Ｐの１／３だけＸ方向にオフセットして配置されている。この場合、隣接する２つの受光部の連結部において最も近距離の受光要素間の距離は、４／３Ｃとなる。
【００８８】
本構成によれば、検出領域６１がＡ相信号（０°）、検出領域６２がＢ相信号（１２０°）、検出領域６３がＣ相信号（２４０°）を出力することができる。これにより、三相信号を合成して差動Ａ相信号（０°）及び差動Ｂ相信号（９０°）を生成することで、より高精度な位置検出を実現することができる。
【００８９】
その他の実施の形態
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。上述の実施の形態では、エンコーダ１００を透過型のエンコーダとして説明したが、これは例示に過ぎない。すなわち、エンコーダ１００を反射型のエンコーダとして構成してもよいことは、勿論である。
【００９０】
また、上述したエンコーダにおいて、光源とスケールとの間、及び、スケールと検出部との間の一方又は両方に、伝搬する回折光の次数を選択するためのインデックス格子を配置してもよい。また、スケールと検出部との間に、スケールからの回折光を結像させる回折格子やレンズ等の光学素子を配置してもよい。
【００９１】
上述したエンコーダでは、スケールと検出部との間の距離は特に限定されるものではない。但し、スケールからの回折光を結像させる回折格子やレンズ等の光学素子をスケールと検出部との間に配置しない場合、スケールと検出部との距離は、検出部上に干渉縞が好適に生じる距離とすることが望ましい。
【符号の説明】
【００９２】
１  スケール
２  検出ヘッド
３  信号処理部
４  光源
４Ａ  平行光
５  検出部
６  原点パターン
６Ａ、７Ａ  光透過部
７  インクリメンタルパターン
８、９  受光部
１０、１１、１１Ａ、１１Ｂ  受光要素
２０、３０  干渉縞
７Ａ  光透過部
７Ｂ  不透過部
３１、３２  ピーク
４０、５０、６０  受光部
４１、４２、５１〜５４、６１〜６３  検出領域
１００  光学式エンコーダ
Ｃ  基本周期
ＤＥＴ  検出信号
ＯＵＴ  出力信号
【図１】
2018105845.tif 000005
【図２】
2018105845.tif 000006
【図３】
2018105845.tif 000007
【図４】
2018105845.tif 000008
【図５】
2018105845.tif 000009
【図６】
2018105845.tif 000010
【図７】
2018105845.tif 000011
【図８】
2018105845.tif 000012
【図９】
2018105845.tif 000013
【図１０】
2018105845.tif 000014
【図１１】
2018105845.tif 000015
【図１２】
2018105845.tif 000016
【図１３】
2018105845.tif 000017
【図１４】
2018105845.tif 000018
【図１５】
2018105845.tif 000019
【図１６】
2018105845.tif 000020