(57)【要約】【課題】光学式エンコーダの大型化を抑えて受光手段の検出範囲内に均一的な光学的特性を実現し、測定精度の向上を図ることできる光学式エンコーダの提供。【解決手段】光学式エンコーダ２は、光源３と、複数の格子を並設する格子面を有する複数の回折格子４と、複数の回折格子４を介した回折光を受光する受光手段５と、を備える。複数の回折格子４は、光源３側の最前段回折格子である第１の回折格子４１と、受光手段５側の最後段回折格子である第３の回折格子４３と、最前段回折格子の後段の回折格子であり最前段回折格子の前段の回折格子でもある第２の回折格子４２と、を備える。複数の回折格子４は、第１のギャップＧ１と第３のギャップＧ３との比と、第２のギャップＧ２と第４のギャップＧ４との比と、が同じとなり、第１のギャップＧ１と第２のギャップＧ２との長さが異なるように配置されていることを特徴とする。【選択図】図２
2019086296.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平行光を照射する光源と、前記平行光を回折する複数の格子を並設する格子面を有する複数の回折格子と、前記複数の回折格子を介した回折光を受光する受光手段と、を備え、前記複数の格子の並設方向であるとともに前記平行光と直交する方向を測長方向とし、前記測長方向と直交するとともに前記平行光と直交する方向を奥行方向とし、前記測長方向に沿って測定をする光学式エンコーダであって、
前記測長方向と前記奥行方向とが直交する方向に延在する軸を第１の軸とし、
前記第１の軸と平行する方向に延在するとともに前記奥行方向にオフセットした軸を第２の軸とし、
前記複数の回折格子は、
前記光源側の最前段に配置される最前段回折格子と、
前記受光手段側の最後段に配置される最後段回折格子と、を備え、
前記最前段回折格子および前記最後段回折格子は、
前記最前段回折格子と前記最前段回折格子の後段の回折格子との間に位置する前記第１の軸上のギャップを第１のギャップとし、
前記最前段回折格子と前記最前段回折格子の後段の回折格子との間に位置する前記第２の軸上のギャップを第２のギャップとし、
前記最後段回折格子と前記最後段回折格子の前段の回折格子との間に位置する前記第１の軸上のギャップを第３のギャップとし、
前記最後段回折格子と前記最後段回折格子の前段の回折格子との間に位置する前記第２の軸上のギャップを第４のギャップとした場合において、
前記第１のギャップと前記第３のギャップとの比と、前記第２のギャップと前記第４のギャップとの比と、が同じとなり、前記第１のギャップと前記第２のギャップとの長さが異なるように配置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】
請求項１に記載された光学式エンコーダにおいて、
前記複数の回折格子は、板状に形成され、
前記複数の回折格子における各格子面の延長平面は、
一直線上で交わることを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項３】
請求項１に記載された光学式エンコーダにおいて、
前記複数の回折格子は、
少なくとも２以上が複数の段差を有して階段状に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４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載された光学式エンコーダにおいて、
前記最前段回折格子の後段の回折格子および前記最後段回折格子の前段の回折格子は、
同一の回折格子であることを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項５】
請求項４に記載された光学式エンコーダにおいて、
前記最前段回折格子および前記最後段回折格子は、
同一の回折格子であることを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかに記載された光学式エンコーダにおいて、
前記複数の回折格子は、
前記光源から照射された平行光を前記最前段回折格子にて複数の回折光に回折し、前記最後段回折格子にて複数の回折光を交差するように配置されていることを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれかに記載された光学式エンコーダにおいて、
前記第１のギャップおよび第２のギャップは、
前記第１のギャップの長さをｕ１とし、前記第２のギャップの長さをｕ３とした場合において、
光源から照射された光の光軸の両側を所定の回折角度で進行する光を信号回折光としたとき、
前記光源の波長λと、前記信号回折光の進行方向と前記光源から照射された光の光軸の方向に平行な方向との成す角度θと、に基づき、
│ｕ１−ｕ３│＝２λ÷sin２θ  ・・・（１）
式（１）を満たすように設計されていることを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項８】
平行光を照射する光源と、前記平行光を回折する複数の格子を並設する格子面を有する複数の回折格子と、前記複数の回折格子を介した回折光を受光する受光手段と、を備え、前記複数の格子の並設方向であるとともに前記平行光と直交する方向を測長方向とし、前記測長方向と直交するとともに前記平行光と直交する方向を奥行方向とし、前記測長方向に沿って測定をする測定器であって、
請求項１から請求項７のいずれかに記載された光学式エンコーダを備えることを特徴とする測定器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学式エンコーダおよびこれを備えた測定器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、平行光を照射する光源と、平行光を回折する複数の格子を並設する格子面を有する複数の回折格子（スケール）と、複数の回折格子を介した回折光を受光する受光手段（ヘッド）と、を備える光学式エンコーダが知られている。
このような光学式エンコーダでは、光源から照射された平行光は、複数の回折格子における複数の格子を介して複数の回折光となる。複数の回折光は、複数の回折格子と同じ周期の干渉縞を生成し、受光手段は、この干渉縞から信号を検出する。光学式エンコーダは、受光手段による検出結果（信号）からスケールとヘッドとの相対移動量を算出する。
【０００３】
複数の回折光は、光源から照射された光の光軸と同じ方向に進行する回折光と、光軸の両側を所定の回折角度で進行する回折光と、光軸の両側を所定の回折角度よりも大きな回折角度で進行する回折光と、を有する。
複数の回折光は、光軸と同じ方向に進行する回折光を０次回折光とすると、０次回折光を基準として回折角度が大きくなる方向に向かって±１次回折光、±２次回折光と順序づけることができる。
【０００４】
受光手段は、主に±１次回折光により生成される干渉縞から信号を検出する。したがって、±１次回折光は信号回折光となり、０次回折光や±１回折光よりも次数が高い回折光はノイズ回折光となる。
受光手段は、信号回折光およびノイズ回折光が照射されると、信号回折光が生成する干渉縞がノイズ回折光により歪み、受光手段が検出する信号にノイズが発生する。したがって、受光手段による信号から算出される相対移動量の精度は低下し、光学式エンコーダの信頼性が低下するという問題がある。
【０００５】
これに対して、特許文献１に記載された干渉式位置測定装置（光学式エンコーダ）は、光学ブロックを備えることにより、０次回折光遮蔽器および一体型プリズムにてノイズ回折光を除去し、±１次回折光（信号回折光）のみをスケールに照射している。しかしながら、このような光学式エンコーダは、一体型プリズムや±１次回折光以外の回折光を遮蔽する回折光遮蔽器などを設けることにより、光源およびスケールの間に複数の回折光を反射させたり屈折させるとともに遮蔽する空間が必要となる。したがって、光学式エンコーダの構造は、大型化するという問題がある。
【０００６】
図８は、従来の光学式エンコーダを示す斜視図である。また、図９は、理想的な干渉縞およびノイズ回折光を含んだ干渉縞を示す図である。
上記の光学式エンコーダの構造が大型化するという問題に対して、特許文献２に記載された平均化回折モアレ位置検出器（光学式エンコーダ）は、以下の構成を備えることで、大型化することを抑制している。
【０００７】
図８に示すように、平均化回折モアレ位置検出器は、光電子倍増管（光源）３００と、格子刻線Ｓを有する拡散板４００と、第１の回折格子４０１と、第１の回折格子４０１に対して格子面に平行かつ格子刻線（格子）に垂直な方向に変位する第２の回折格子４０２と、２つの回折格子４０１，４０２（複数の回折格子）を介した回折モアレ信号（干渉縞）から検出結果（信号）を得る手段５００（受光手段）と、を備える。
拡散板４００にて拡散した光電子倍増管３００からの光は、第１の回折格子４０１を介して第２の回折格子４０２にて交差するようになっている。
【０００８】
２つの回折格子４０１，４０２は、第１の回折格子４０１と第２の回折格子４０２とを配置する際に生じる２つの回折格子４０１，４０２の間隙において、その間隙光路長をフレネル数または２の整数倍に相当する光路長の範囲にわたって変化するように配置されている。具体的には、例えば拡散板４００と２つの回折格子４０１，４０２とを等間隔で配置したときの任意の軸上の長さをｕとした場合、第１の回折格子４０１に対して格子面に平行かつ格子刻線Ｓに垂直な方向の一方側の間隙光路長はｕ−Δｕとなる。また、任意の軸を挟んで一方側の間隙光路長とは反対側にオフセットした他方側の間隙光路長はｕ＋Δｕとなる。このため、第２の回折格子４０２は、第１の回折格子４０１に対して傾けて配置されている。
【０００９】
ここで、複数の回折格子を介して受光手段上に生成される干渉縞は、図９（Ａ）に示すように、ストライプ状となっていることが望ましい。ノイズ回折光を含まず、信号回折光のみで生成される干渉縞は、図９（Ａ）に示すようなストライプ状となる。この際、受光手段は、例えば読取範囲Ｃの干渉縞を読み取ることで信号を検出する。受光手段は、複数の回折格子等とのアライメントがずれたとしても、干渉縞がストライプ状となっているため、どの読取範囲からでも理想的な信号を検出することができる。
しかしながら、複数の回折格子等を介した光はノイズ回折光を含むため、実際には、図９（Ａ）に示すような干渉縞を生成することができない。
【００１０】
これに対して、図９（Ｂ）は、ノイズ回折光を含んだ状態であっても理想的な信号を検出することができる干渉縞である。図９（Ｂ）に示す干渉縞は、例えば拡散板４００にて拡散した光電子倍増管３００からの光が、第１の回折格子４０１を介して第２の回折格子４０２にて交差することで生成される。この際、受光手段５００は、例えば読取範囲Ｃ２の干渉縞を読み取り所定の演算をすることで、図９（Ａ）の干渉縞を読み取ることで得られる理想的な信号と同様の信号を取得することができる。すなわち、図９（Ａ）に示すストライプ状の干渉縞を読み取る際の読取範囲Ｃと比較して読取範囲Ｃ２を広く確保する必要があるものの、所定の演算をすることによって、理想的な信号を得ることができる。
【００１１】
特許文献２に記載された平均化回折モアレ位置検出器は、第１の回折格子４０１に対して第２の回折格子４０２を傾けて配置することによって、図９（Ｂ）に示す干渉縞に近い状態の干渉縞を受光手段上に生成することができる。すなわち、ノイズ回折光を含んだ状態であっても理想的な信号を得ることができる干渉縞に近い状態の干渉縞を受光手段上に生成することができる。
【００１２】
したがって、平均化回折モアレ位置検出器は、一体型プリズムや±１次回折光以外の回折光を遮蔽する回折光遮蔽器などを設けてノイズ回折光を除去しなくとも、第１の回折格子４０１に対して第２の回折格子４０２を傾けて配置することによって理想的な信号を得ることができる干渉縞に近い状態の干渉縞を生成することができるため、大型化を抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特許第２６１９５６６号公報
【特許文献２】特開昭６１−１７０１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、特許文献２の光学式エンコーダにより生成される干渉縞は、第１の回折格子４０１に対して第２の回折格子４０２を傾けて配置していることから、図８に示すように、拡散板４００で拡散した光電子倍増管３００からの光は、第２の回折格子４０２にて交差せずに透過してしまったり、第２の回折格子４０２よりも手前で交差してしまうことがある。第２の回折格子４０２にて交差しなかった光は、さらなるノイズ回折光となって受光手段５００上に照射される。このため、図９（Ｂ）に示すような均一な干渉縞を得ることはできず、第２の回折格子４０２にて交差しなかったことによるノイズ回折光によって歪んだ干渉縞が生成される。受光手段５００は、干渉縞（光学的特性）が均一でないことから、読取範囲の位置によって検出される信号が異なることとなり、安定した信号を取得することができない。したがって、受光手段により検出された信号から算出される相対移動量の精度が低下し、光学式エンコーダの信頼性が低下するという問題がある。
【００１５】
本発明の目的は、光学式エンコーダの大型化を抑えて受光手段の検出範囲内に均一的な光学的特性を実現し、測定精度の向上を図ることできる光学式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】
【００１６】
本発明の光学式エンコーダは、平行光を照射する光源と、平行光を回折する複数の格子を並設する格子面を有する複数の回折格子と、複数の回折格子を介した回折光を受光する受光手段と、を備え、複数の格子の並設方向であるとともに平行光と直交する方向を測長方向とし、測長方向と直交するとともに平行光と直交する方向を奥行方向とし、測長方向に沿って測定をする光学式エンコーダであって、測長方向と奥行方向とが直交する方向に延在する軸を第１の軸とし、第１の軸と平行する方向に延在するとともに奥行方向にオフセットした軸を第２の軸とし、複数の回折格子は、光源側の最前段に配置される最前段回折格子と、受光手段側の最後段に配置される最後段回折格子と、を備え、最前段回折格子および最後段回折格子は、最前段回折格子と最前段回折格子の後段の回折格子との間に位置する第１の軸上のギャップを第１のギャップとし、最前段回折格子と最前段回折格子の後段の回折格子との間に位置する第２の軸上のギャップを第２のギャップとし、最後段回折格子と最後段回折格子の前段の回折格子との間に位置する第１の軸上のギャップを第３のギャップとし、最後段回折格子と最後段回折格子の前段の回折格子との間に位置する第２の軸上のギャップを第４のギャップとした場合において、第１のギャップと第３のギャップとの比と、第２のギャップと第４のギャップとの比と、が同じとなり、第１のギャップと第２のギャップとの長さが異なるように配置されていることを特徴とする。
【００１７】
本発明によれば、光学式エンコーダは、複数の回折格子における第１のギャップと第３のギャップとの比と、第２のギャップと第４のギャップとの比と、が同じとなり、第１のギャップと第２のギャップとの長さが異なるように配置されていることで、最前段回折格子にて回折した複数の回折光は、最後段回折格子にて交差することとなる。最後段回折格子にて複数の回折光が交差することで、複数の回折光が交差しなかったことにより発生するノイズ回折光を抑制することができるため、受光手段の検出範囲以内に均一的な光学的特性を実現することができる。すなわち、図９（Ｂ）に示すような干渉縞を生成することができる。
【００１８】
したがって、光学式エンコーダは、ノイズ回折光を遮蔽する回折光遮蔽器などを設ける必要がなく、かつ、ノイズ回折光を含んだ干渉縞から均一的な信号を検出することができるため、光学式エンコーダの大型化を抑えて受光手段の検出範囲内に均一的な光学的特性を実現し、測定精度の向上を図ることできる。
【００１９】
この際、複数の回折格子は、板状に形成され、複数の回折格子における各格子面の延長平面は、一直線上で交わることが好ましい。
【００２０】
このような構成によれば、複数の回折格子は、板状に形成されているため、容易に製造することができる。また、複数の回折格子における各格子面の延長平面は、一直線上に交わるように複数の回折格子を配置することで、各回折格子のアライメントを容易に調整することができる。
【００２１】
また、複数の回折格子は、少なくとも２以上が複数の段差を有して階段状に形成されていることが好ましい。
【００２２】
このような構成によれば、複数の回折格子は、少なくとも２以上が複数の段差を有して階段状に形成されているため、例えば段差が複数の回折格子における各格子面に平行に形成されている場合、複数の回折格子が板状に形成されている場合と比較して、各回折格子のアライメントを容易に調整することができ、光学式エンコーダの組立作業等を効率的に行うことができる。また、複数の回折格子は、複数の段差の配置を調整することで、光学式エンコーダの大きさおよび形状に合わせて設計することができる。したがって、複数の回折格子は、回折格子の設計の自由度を向上させることができるとともに光学式エンコーダの大型化を抑制することができる。
【００２３】
この際、最前段回折格子の後段の回折格子および最後段回折格子の前段の回折格子は、同一の回折格子であることが好ましい。
【００２４】
このような構成によれば、最前段回折格子の後段の回折格子および最後段回折格子の前段の回折格子は、同一の回折格子であるため、最前段回折格子の後段の回折格子および最後段回折格子の前段の回折格子をそれぞれ備えている場合と比較して、部品点数を少なくすることができる。したがって、光学式エンコーダは、コスト削減を図ることができる。
【００２５】
この際、最前段回折格子および最後段回折格子は、同一の回折格子であることが好ましい。
【００２６】
このような構成によれば、最前段回折格子の後段の回折格子および最後段回折格子の前段の回折格子と、最前段回折格子および最後段回折格子と、はそれぞれ同一の回折格子であるため、最前段回折格子の後段の回折格子および最後段回折格子の前段の回折格子が同一の回折格子である場合と比較して、さらに部品点数を少なくすることができる。したがって、光学式エンコーダは、コスト削減を図ることができる。
【００２７】
この際、複数の回折格子は、光源から照射された平行光を最前段回折格子にて複数の回折光に回折し、最後段回折格子にて複数の回折光を交差するように配置されていることが好ましい。
【００２８】
このような構成によれば、複数の回折格子は、光源から照射された平行光を最前段回折格子にて複数の回折光に回折し、最後段回折格子にて複数の回折光を交差するように配置されていることで、複数の回折光が交差しなかったことにより発生するノイズ回折光を抑制することができるため、受光手段の検出範囲以内に均一的な光学的特性を実現することができる。すなわち、図９（Ｂ）に示すような干渉縞を生成することができる。
【００２９】
したがって、光学式エンコーダは、ノイズ回折光を遮蔽する回折光遮蔽器などを設ける必要がなく、かつ、ノイズ回折光を含んだ干渉縞から均一的な信号を検出することができるため、光学式エンコーダの大型化を抑えて受光手段の検出範囲内に均一的な光学的特性を実現し、測定精度の向上を図ることできる。
【００３０】
この際、第１のギャップおよび第２のギャップは、第１のギャップの長さをｕ１とし、第２のギャップの長さをｕ３とした場合において、光源から照射された光の光軸の両側を所定の回折角度で進行する光を信号回折光としたとき、光源の波長λと、信号回折光の進行方向と光源から照射された光の光軸の方向に平行な方向との成す角度θと、に基づき、
│ｕ１−ｕ３│＝２λ÷sin２θ  ・・・（１）
式（１）を満たすように設計されていることが好ましい。
【００３１】
ここで、所定の回折角度とは、光源からの光の光軸を基準として、例えば最前段回折格子の格子によって回折された信号回折光およびノイズ回折光が、最前段回折格子の後段の回折格子に向かって進行する際の角度である。
【００３２】
このような本発明によれば、複数の回折格子における第１のギャップおよび第２のギャップは、式（１）を満たすように設計されていることで、容易に複数の回折格子の位置や角度等の配置について設計することができる。
【００３３】
本発明の測定器は、平行光を照射する光源と、平行光を回折する複数の格子を並設する格子面を有する複数の回折格子と、複数の回折格子を介した回折光を受光する受光手段と、を備え、複数の格子の並設方向であるとともに平行光と直交する方向を測長方向とし、測長方向と直交するとともに平行光と直交する方向を奥行方向とし、測長方向に沿って測定をする測定器であって、本発明の光学式エンコーダを備えることを特徴とする。
【００３４】
このような本発明によれば、測定器は、本発明の光学式エンコーダを備えることで、ノイズ回折光を遮蔽する回折光遮蔽器などを設ける必要がなく、かつ、ノイズ回折光を含んだ干渉縞から均一的な信号を検出することができるため、光学式エンコーダの大型化を抑えて受光手段の検出範囲内に均一的な光学的特性を実現し、測定精度の向上を図ることできる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】第１実施形態に係る光学式エンコーダを示す斜視図
【図２】前記光学式エンコーダの奥行方向の側面図および測長方向の側面図
【図３】前記光学式エンコーダにおける複数の回折格子の各格子面が一直線上に交わることを示す図
【図４】第２実施形態に係る光学式エンコーダの奥行方向の側面図および測長方向の側面図
【図５】第３実施形態に係る光学式エンコーダの奥行方向の側面図および測長方向の側面図
【図６】本発明の光学式エンコーダに係る第１変形例を示す図
【図７】本発明の光学式エンコーダに係る第２変形例を示す図
【図８】従来の光学式エンコーダを示す斜視図
【図９】理想的な干渉縞およびノイズ回折光を含んだ干渉縞を示す図
【発明を実施するための形態】
【００３６】
〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態を図１〜図３に基づいて説明する。
図１は、第１実施形態に係る光学式エンコーダを示す斜視図である。
測定器１は、図１に示すように、光学式エンコーダ２を備える。光学式エンコーダ２は、平行光を照射する光源３と、平行光を回折する複数の格子Ｓを並設する格子面を有する複数の回折格子４と、複数の回折格子４を介した回折光を受光する受光手段５と、を備えるリニアエンコーダである。
【００３７】
光学式エンコーダ２は、複数の格子Ｓの並設方向であるとともに平行光と直交する方向を測長方向とし、測長方向と直交するとともに平行光と直交する方向を奥行方向とし、測長方向に沿って測定をする。
なお、以下の説明および各図面において、測長方向をＸ方向とし、奥行方向をＹ方向とし、Ｘ方向とＹ方向とが直交する方向をＺ方向と記す場合がある。
【００３８】
光源３は、複数の回折格子４の一面に向かって平行光を照射する。光源３は、例えばＬＥＤ（Light Emitting Diode）である。なお、光源３はＬＥＤに限らず、任意の光源であってもよい。
複数の回折格子４は、第１の回折格子４１と、第２の回折格子４２と、第３の回折格子４３と、を備える。複数の回折格子４は、板状に形成されるとともに光源３からの平行光を透光するガラス等の透光部材で形成されている。複数の回折格子４は、それぞれ格子面を有し、格子面には複数の格子Ｓが設けられている。複数の格子Ｓは、光源３から照射された平行光を複数の回折光に回折する。
【００３９】
第１の回折格子４１は、光源３側の最前段に配置される最前段回折格子であり、第３の回折格子４３は、受光手段５側の最後段に配置される最後段回折格子である。
また、第２の回折格子４２は、最前段回折格子（第１の回折格子４１）の後段の回折格子であるとともに最後段回折格子（第３の回折格子４３）の前段の回折格子である。すなわち、最前段回折格子（第１の回折格子４１）の後段の回折格子および最後段回折格子（第３の回折格子４３）の前段の回折格子は、同一の回折格子（第２の回折格子４２）である。
なお、複数の回折格子４は、図１では略矩形状に図示されているが、測定器１の測定可能な範囲に応じて測定方向であるＸ方向に延在して設けられている。また、第１の回折格子４１および第３の回折格子４３には、第２の回折格子４２の格子面と平行に配置した場合の位置が点線にて図示されている。
【００４０】
受光手段５は、複数の回折格子４を透過した複数の回折光を受光し、複数の回折光によって生成された干渉縞から信号を検出する。受光手段５は、ＰＤＡ(Photo Diode Array)が用いられ、光源３と受光手段５とは、複数の回折格子４を挟んで互いに重なるように向かい合せて設置されている。
ＰＤＡは、複数の干渉縞を一度に測定することができる性質を持つ検出器である。なお、受光手段５はＰＤＡに限らず、ＰＳＤ（Position Sensitive Detector）やＣＣＤ（Charge-Coupled Device）等の任意の検出器を用いてもよい。
【００４１】
測定器１は、光源３と受光手段５とを有するヘッド６を備え、複数の回折格子４に対して一体で測長方向（Ｘ方向）に進退可能に設けられている。
測定器１は、複数の回折格子４のＸ方向に沿って移動するとともに複数の回折格子４およびヘッド６との相対移動量から位置情報を取得する。
【００４２】
図２は、前記光学式エンコーダの奥行方向の側面図および測長方向の側面図である。また、図３は、前記光学式エンコーダにおける複数の回折格子の各格子面が一直線上に交わることを示す図である。
以下、複数の回折格子４の配置について、図２，３を参照して説明する。
【００４３】
複数の回折格子４は、奥行方向である＋Ｙ方向側からみると、図２（Ａ）に示すように、第１の回折格子４１と、第２の回折格子４２と、第３の回折格子４３と、受光手段５と、は測長方向であるＸ方向に対して平行に配置されている。この際、複数の回折格子４は、光源３から照射された平行光を第１の回折格子４１にて複数の回折光に回折し、第２の回折格子４２を介して、第３の回折格子４３にて複数の回折光を交差するように配置されている。受光手段５は、第３の回折格子４３にて交差した複数の回折光より生じる干渉縞から信号を検出する。
【００４４】
一方、測長方向である−Ｘ方向側からみると、図２（Ｂ）に示すように、第１の回折格子４１および第３の回折格子４３は、第２の回折格子４２に対して傾いた状態で配置されている。
ここで、測長方向（Ｘ方向）と奥行方向（Ｙ方向）とが直交する方向（Ｚ方向）に延在する軸を第１の軸Ｌ１とし、第１の軸Ｌ１と平行する方向に延在するとともに奥行方向（Ｙ方向）にオフセットした軸を第２の軸Ｌ２とする。
【００４５】
そして、第１の回折格子４１と第２の回折格子４２との間に位置する第１の軸Ｌ１上のギャップを第１のギャップＧ１とし、第１の回折格子４１と第２の回折格子４２との間に位置する第２の軸Ｌ２上のギャップを第２のギャップＧ２とする。また、第３の回折格子４３と第２の回折格子４２との間に位置する第１の軸Ｌ１上のギャップを第３のギャップＧ３とし、第３の回折格子４３と第２の回折格子４２との間に位置する第２の軸Ｌ２上のギャップを第４のギャップＧ４とする。
【００４６】
複数の回折格子４は、第１のギャップＧ１と第３のギャップＧ３との比と、第２のギャップＧ２と第４のギャップＧ４との比と、が同じとなるように配置されている。また、第１のギャップＧ１と第２のギャップＧ２との長さが異なるように配置され、第１のギャップＧ１と第３のギャップＧ３との比と、第２のギャップＧ２と第４のギャップＧ４との比と、が同じとなる関係から、第３のギャップＧ３と第４のギャップＧ４との長さが異なるように配置されている。具体的には、第１のギャップＧ１の長さｕ１よりも第２のギャップＧ２の長さｕ３の長さが短くなるように配置され、第３のギャップＧ３の長さｖ１よりも第４のギャップＧ４の長さｖ３の長さが短くなるように配置されている。
【００４７】
また、第１のギャップＧ１の長さｕ１と、第２のギャップＧ２の長さｕ３と、第１の回折格子４１と第２の回折格子４２との間に位置するとともに第１の軸Ｌ１および第２の軸Ｌ２の間に位置する任意の軸（光源３から照射された光の光軸）Ｌ０上のギャップの長さｕ２とは、ｕ１＞ｕ２＞ｕ３の関係が成り立つ。第３のギャップＧ３の長さｖ１と、第４のギャップＧ４の長さｖ３と、第３の回折格子４３と第２の回折格子４２との間に位置するとともに第１の軸Ｌ１および第２の軸Ｌ２の間に位置する任意の軸（光源３から照射された光の光軸）Ｌ０上のギャップの長さｖ２と、についても同様に、ｖ１＞ｖ２＞ｖ３の関係が成り立つ。
さらに、複数の回折格子４は、図３に示すように、各格子面の延長平面が交線Ｑにて一直線上で交わるように配置される。
【００４８】
複数の回折格子４の配置（傾斜角度）を決定する第１のギャップＧ１〜第４のギャップＧ４は、フレネル数２または２の倍数を満たすように設計されている。具体的には、以下の式にて表すことができる。
第１のギャップＧ１の長さをｕ１とし、第２のギャップＧ２の長さをｕ３とした場合において、光源３から照射された光の光軸Ｌ０の両側を所定の回折角度で進行する光を信号回折光としたとき、第１のギャップＧ１および第２のギャップＧ２は、光源３の波長λと、信号回折光の進行方向と光源から照射された光の光軸Ｌ０の方向に平行な方向との成す角度θと、に基づき式（１）を満たすように設計されている。
【００４９】
│ｕ１−ｕ３│＝２λ÷sin２θ  ・・・（１）
【００５０】
この式（１）を満たすように第１のギャップＧ１〜第４のギャップＧ４を設計することで、ノイズ回折光による検出結果への影響を低減させる効果を最大にすることができる。具体的には、第１のギャップＧ１および第２のギャップＧ２について設計する場合、第１の回折格子４１および第２の回折格子４２のうち、第１の回折格子４１をＰとし、光源３の波長をλとして、式（２）を演算し、第１のギャップＧ１と第２のギャップＧ２との長さの違いを求める。
【００５１】
│ｕ１−ｕ３│＝２Ｐ２÷λ  ・・・（２）
【００５２】
そして、第１の回折格子４１で回折された信号回折光の進行方向と光源３から照射された光の光軸Ｌ０の方向に平行な方向との成す角度θ１（図２（Ａ）参照）と、に基づき式（３）を演算する。
【００５３】
sinθ１＝λ÷Ｐ  ・・・（３）
【００５４】
式（２）および式（３）により、式（４）が導かれ、第１のギャップＧ１および第２のギャップＧ２を設計することができる。
【００５５】
│ｕ１−ｕ３│＝２λ÷sin２θ１  ・・・（４）
【００５６】
第３のギャップＧ３および第４のギャップＧ４においても、ｖ１〜ｖ３およびθ２（図２（Ａ）参照）を用いることで、同様に求めることができる。また、第１のギャップＧ１と第３のギャップＧ３との比と、第２のギャップＧ２と第４のギャップＧ４との比と、が同じとなる関係から、第１のギャップＧ１および第２のギャップＧ２を設計することができれば、第３のギャップＧ３および第４のギャップＧ４も設計することができる。
このように複数の回折格子４の配置を設計することで、光学式エンコーダ２は、図９（Ｂ）に示すように、受光手段５が理想的な信号を取得することができる干渉縞を生成することができる。
【００５７】
このような本実施形態によれば、以下の作用・効果を奏することができる。
（１）光学式エンコーダ２は、複数の回折格子４の第１のギャップＧ１と第３のギャップＧ３との比と、第２のギャップＧ２と第４のギャップＧ４との比と、が同じとなり、第１のギャップＧ１と第２のギャップＧ２との長さが異なるように配置されていることで、受光手段の検出範囲内に均一的な光学的特性を実現することができる。
したがって、光学式エンコーダ２は、ノイズ回折光を遮蔽する回折光遮蔽器などを設ける必要がなく、かつ、ノイズ回折光を含んだ干渉縞から均一的な信号を検出することができるため、光学式エンコーダ２の大型化を抑えて受光手段５の検出範囲内に均一的な光学的特性を実現し、測定精度の向上を図ることできる。
【００５８】
（２）複数の回折格子４は、板状に形成されているため、容易に製造することができる。（３）複数の回折格子４における各格子面の延長平面は、一直線上に交わるように複数の回折格子４を配置することで、各回折格子４１，４２，４３のアライメントを容易に調整することができる。
（４）最前段回折格子の後段の回折格子および最後段回折格子の前段の回折格子は、同一の回折格子（第２の回折格子４２）であるため、最前段回折格子の後段の回折格子および最後段回折格子の前段の回折格子をそれぞれ備えている場合と比較して、部品点数を少なくすることができる。したがって、光学式エンコーダ２は、コスト削減を図ることができる。
【００５９】
（５）複数の回折格子４は、光源３から照射された平行光を第１の回折格子４１にて複数の回折光に回折し、第３の回折格子４３にて複数の回折光を交差するように配置されていることで、複数の回折光が交差しなかったことにより発生するノイズ回折光を抑制することができるため、受光手段５の検出範囲以内に均一的な光学的特性を実現することができる。すなわち、図９（Ｂ）に示すような干渉縞を生成することができる。
【００６０】
（６）複数の回折格子４における第１のギャップＧ１および第２のギャップＧ２は、式（１）を満たすように設計されていることで、容易に複数の回折格子４の位置や角度等の配置について設計することができる。
（７）測定器１は、本発明の光学式エンコーダ２を備えることで、ノイズ回折光を遮蔽する回折光遮蔽器などを設ける必要がなく、かつ、ノイズ回折光を含んだ干渉縞から均一的な信号を検出することができるため、光学式エンコーダ２の大型化を抑えて受光手段５の検出範囲内に均一的な光学的特性を実現し測定精度の向上を図ることできる。
【００６１】
〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態を図４に基づいて説明する。なお、以下の説明では、既に説明した部分については、同一符号を付してその説明を省略する。
【００６２】
図４は、第２実施形態に係る光学式エンコーダの奥行方向の側面図および測長方向の側面図である。
前記第１実施形態の複数の回折格子４は、板状に形成され、複数の回折格子４における各格子面の延長平面は、一直線上で交わるように配置されていた。本実施形態の測定器１Ａにおける光学式エンコーダ２Ａの複数の回折格子４Ａは、図４に示すように、少なくとも２以上が複数の段差を有して階段状に形成されている点で、前記第１実施形態の複数の回折格子４と異なる。
【００６３】
本実施形態では、具体的には、第１の回折格子４１Ａおよび第３の回折格子４３Ａが階段状に形成され、第２の回折格子４２Ａが板状に形成されている。第１の回折格子４１Ａの格子面および第３の回折格子４３Ａの格子面は、第２の回折格子４２Ａの格子面と平行に形成されている。
この際、第１のギャップＧ１〜第４のギャップＧ４の関係は、前記第１実施形態と同様に、第１のギャップＧ１と第３のギャップＧ３との比と、第２のギャップＧ２と第４のギャップＧ４との比と、が同じとなるように配置されている。また、第１のギャップＧ１と第２のギャップＧ２との長さが異なるように配置され、第１のギャップＧ１と第３のギャップＧ３との比と、第２のギャップＧ２と第４のギャップＧ４との比と、が同じとなる関係から、第３のギャップＧ３と第４のギャップＧ４との長さが異なるように配置されている。
【００６４】
このような本実施形態においても、前記第１実施形態における（１），（４）〜（７）と同様の作用、効果を奏することができる他、以下の作用、効果を奏することができる。
（８）複数の回折格子４Ａは、少なくとも２以上が複数の段差を有して階段状に形成されているため、複数の回折格子４Ａが板状に形成されている場合と比較して、各回折格子４１Ａ，４２Ａ，４３Ａのアライメントを容易に調整することができ、光学式エンコーダ２Ａの組立作業等を効率的に行うことができる。
（９）複数の回折格子４Ａは、複数の段差の配置を調整することで、光学式エンコーダ２Ａの大きさおよび形状に合わせて設計することができる。したがって、複数の回折格子４Ａは、各回折格子４１Ａ，４２Ａ，４３Ａの設計の自由度を向上させることができるとともに光学式エンコーダ２Ａの大型化を抑制することができる。
【００６５】
〔第３実施形態〕
以下、本発明の第３実施形態を図５に基づいて説明する。なお、以下の説明では、既に説明した部分については、同一符号を付してその説明を省略する。
【００６６】
図５は、第３実施形態に係る光学式エンコーダの奥行方向の側面図および測長方向の側面図である。
前記第１実施形態の複数の回折格子４における第１の回折格子４１は、光源３側の最前段に配置される最前段回折格子であり、第３の回折格子４３は、受光手段５側の最後段に配置される最後段回折格子であった。また、第２の回折格子４２は、最前段回折格子（第１の回折格子４１）の後段の回折格子であるとともに最後段回折格子（第３の回折格子４３）の前段の回折格子であった。すなわち、最前段回折格子（第１の回折格子４１）の後段の回折格子および最後段回折格子（第３の回折格子４３）の前段の回折格子は、同一の回折格子（第２の回折格子４２）であった。
【００６７】
本実施形態の測定器１Ｂの光学式エンコーダ２Ｂは、図５に示すように、反射型のリニアエンコーダであり、平行光を透過し複数の回折格子４Ｂを介した回折光を屈折させるビームスプリッタＢを備えている点で前記第１実施形態の光学式エンコーダ２と異なる。
また、本実施形態の複数の回折格子４Ｂは、最前段回折格子であり最後段回折格子でもある第１の回折格子４１Ｂと、最前段回折格子の後段の回折格子であり最後段回折格子の前段の回折格子でもある第２の回折格子４２Ｂと、を備え、２枚の回折格子４１Ｂ，４２Ｂにて構成されている点で前記第１実施形態と異なる。
【００６８】
本実施形態の光学式エンコーダ２Ｂにおいても、前記第１実施形態の光学式エンコーダ２と同様に、第１のギャップＧ１〜第４のギャップＧ４の関係は、第１のギャップＧ１と第３のギャップＧ３との比と、第２のギャップＧ２と第４のギャップＧ４との比と、が同じとなるように配置されている。また、第１のギャップＧ１と第２のギャップＧ２との長さが異なるように配置され、第１のギャップＧ１と第３のギャップＧ３との比と、第２のギャップＧ２と第４のギャップＧ４との比と、が同じとなる関係から、第３のギャップＧ３と第４のギャップＧ４との長さが異なるように配置されている。
【００６９】
このような本実施形態においても、前記第１実施形態における（１），（３）〜（７）と同様の作用、効果を奏することができる他、以下の作用、効果を奏することができる。
（１０）光学式エンコーダ２Ｂにおいて、最前段回折格子の後段の回折格子および最後段回折格子の前段の回折格子と、最前段回折格子および最後段回折格子と、はそれぞれ同一の回折格子（第１の回折格子４１Ｂ，第２の回折格子４２Ｂ）であるため、最前段回折格子の後段の回折格子および最後段回折格子の前段の回折格子だけが同一の回折格子（前記第１実施形態の第２の回折格子４２）である場合と比較して、さらに部品点数を少なくすることができる。したがって、光学式エンコーダ２Ｂは、コスト削減を図ることができる。
【００７０】
〔実施形態の変形〕
なお、本発明は、前記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記各実施形態では、測定器１，１Ａ〜１Ｂに本発明の光学式エンコーダ２，２Ａ〜２Ｂを用いる場合を説明したが、光学式エンコーダはリニアエンコーダではなくロータリーエンコーダであってもよく、光学式エンコーダであれば、検出器の形式や検出方式等は特に限定されるものではない。
前記各実施形態では、複数の回折格子４，４Ａ〜４Ｂはガラスで形成されていたが、ガラス以外の透光性部材で形成されていてもよく、任意の厚さで形成されていてもよい。
【００７１】
前記第２実施形態では、第１の回折格子４１Ａおよび第３の回折格子４３Ａは、階段状に形成されていたが、第２の回折格子も階段状に形成されていてもよい。また、第１の回折格子４１Ａの格子面および第３の回折格子４３Ａの格子面は、第２の回折格子４２Ａの格子面と平行な階段により構成されていたが、第２の回折格子４２Ａの格子面と平行な階段でなくてもよい。また、階段状に形成された回折格子は、例えば波状の階段であっても良い。要するに、複数の回折格子は、少なくとも２以上が複数の段差を有して階段状に形成されていればよい。
【００７２】
前記各実施形態では、複数の回折格子４，４Ａ〜４Ｂは、光源３から照射された平行光を格子Ｓを介して回折していたが、最後段回折格子は、格子の代わりにＰＤＡ等を周期的に並設した回折格子であってもよい。
【００７３】
図６は、本発明の光学式エンコーダに係る第１変形例を示す図である。
前記第１実施形態および前記第２実施形態では、複数の回折格子４，４Ａは透過型であった。本変形例では、測定器１Ｃにおける光学式エンコーダ２Ｃの複数の回折格子４Ｃは、図６（Ａ）に示すように、第１の回折格子４１Ｃが透過型であり、第２の回折格子４２Ｃが反射型であり、第３の回折格子４３Ｃが透過型である点で、前記第１実施形態および前記第２実施形態と異なる。また、測定器１Ｄにおける光学式エンコーダ２Ｄの複数の回折格子４Ｄは、図６（Ｂ）に示すように、第１の回折格子４１Ｄが透過型であり、第２の回折格子４２Ｄが透過型であり、第３の回折格子４３Ｄが反射型である点で、前記第１実施形態および前記第２実施形態と異なる。
【００７４】
この際、複数の回折格子４Ｃ，４Ｄは板状に形成され、複数の回折格子４Ｃ，４Ｄの各格子面の延長平面は、一直線上で交わるように配置されている。また、本変形例の光学式エンコーダ２Ｃ，２Ｄにおいても、前記第１実施形態の光学式エンコーダ２と同様に、第１のギャップＧ１〜第４のギャップＧ４の関係は、第１のギャップＧ１と第３のギャップＧ３との比と、第２のギャップＧ２と第４のギャップＧ４との比と、が同じとなるように配置されている。また、第１のギャップＧ１と第２のギャップＧ２との長さが異なるように配置され、第１のギャップＧ１と第３のギャップＧ３との比と、第２のギャップＧ２と第４のギャップＧ４との比と、が同じとなる関係から、第３のギャップＧ３と第４のギャップＧ４との長さが異なるように配置されている。
【００７５】
図７は、本発明の光学式エンコーダに係る第２変形例を示す図である。
前記第１実施形態および前記第２実施形態では、複数の回折格子４，４Ａは、第１の回折格子４１，４１Ａと、第２の回折格子４２，４２Ａと、第３の回折格子４３，４３Ａと、を備え、３つの回折格子４，４Ａにより構成されていた。
【００７６】
本変形例では、測定器１Ｅにおける光学式エンコーダ２Ｅの複数の回折格子４Ｅは、図７に示すように、最前段回折格子である第１の回折格子４１Ｅと、最前段回折格子の後段の回折格子である第２の回折格子４２Ｅと、最後段回折格子の前段の回折格子である第３の回折格子４３Ｅと、最後段回折格子である第４の回折格子４４Ｅと、を備え、４つの回折格子４Ｅにより構成されている点で前記第１実施形態および前記第２実施形態と異なる。
【００７７】
ここで、複数の回折格子が３つの回折格子により構成されている場合、第２の回折格子において大きな角度の回折光を得るために第２の回折格子が有する格子の周期を短く設計する必要がある。格子の周期を短く設計するためには、高度な技術を要する場合がある。
しかしながら、複数の回折格子４Ｅは、第１の回折格子４１Ｅ〜第４の回折格子４４Ｅにより４つの回折格子４Ｅにて構成されるため、３つの回折格子により構成されている場合と比較して、複数の回折格子における格子の周期を容易に設計することができる。
また、複数の回折格子は、４つ以上の回折格子にて構成されていてもよい。
【００７８】
前記各実施形態では、第２のギャップＧ２は第１のギャップＧ１より短く設計され、第４のギャップＧ４は第３のギャップＧ３より短く設計されていたが、第１のギャップは第２のギャップより短く設計され、第３のギャップは第４のギャップより短く設計されていてもよい。
また、複数の回折格子４，４Ａ〜４Ｅは、光源３から照射された平行光を最前段回折格子にて複数の回折光に回折し、最後段回折格子にて複数の回折光を交差するように配置されていたが、最後段回折格子にて複数の回折光は交差しなくてもよい。
【００７９】
要するに、光学式エンコーダは、平行光を回折する複数の格子を並設する格子面を有する複数の回折格子を備えていればよく、複数の回折格子は、第１のギャップＧ１と第３のギャップＧ３との比と、第２のギャップＧ２と第４のギャップＧ４との比と、が同じとなり、第１のギャップＧ１と第２のギャップＧ２との長さが異なるように配置されていればよい。
【００８０】
前記各実施形態では、第１のギャップＧ１および第２のギャップＧ２は、光源３の波長λと、信号回折光の進行方向と光源から照射された光の光軸Ｌ０の方向に平行な方向との成す角度θと、に基づき式（１）を満たすように設計されていたが、第１のギャップおよび第２のギャップは、第１のギャップと第３のギャップとの比と、第２のギャップと第４のギャップとの比と、が同じとなり、第１のギャップと第２のギャップとの長さが異なるように設計されていれば、どのように設計してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
以上のように、本発明は、光学式エンコーダおよびこれを備えた測定器に好適に利用できる。
【符号の説明】
【００８２】
１，１Ａ〜１Ｅ                  測定器
２，２Ａ〜２Ｅ                  光学式エンコーダ
３                              光源
４，４Ａ〜４Ｅ                  複数の回折格子
５                              受光手段
４１，４１Ａ，４１Ｃ〜４１Ｅ    第１の回折格子（最前段回折格子）
４１Ｂ                          第１の回折格子（最前段回折格子，最後段回折格子）
４２，４２Ａ〜４２Ｄ            第２の回折格子（最前段回折格子の後段の回折格子，最後段回折格子の前段の回折格子）
４２Ｅ                          第２の回折格子（最前段回折格子の後段の回折格子）
４３，４３Ａ〜４３Ｄ            第３の回折格子（最後段回折格子）
４３Ｅ                          第３の回折格子（最後段回折格子の前段の回折格子）
４４Ｅ                          第４の回折格子（最後段回折格子）
Ｇ１                            第１のギャップ
Ｇ２                            第２のギャップ
Ｇ３                            第３のギャップ
Ｇ４                            第４のギャップ
Ｓ                              格子
【図１】
2019086296.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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