(57)【要約】【課題】回折干渉方式の入射角変調型エンコーダの変調効率を向上させる。【解決手段】インデックス回折格子１３に対する入射光の傾きが変化する方向と、移動回折格子１５で発生する回折光のうちの再干渉する（＋１、−１）回折光及び（−１、＋１）次回折光の移動回折格子１５に対する傾きが変化する方向とが同じとなるように、＋１次回折光と−１次回折光とを導くミラー１４Ａ、１４Ｂが配置されている。これにより、移動回折格子１５の作用により再干渉する（＋１、−１）次回折光と（−１、＋１）次回折光との位相差の原因となる、インデックス回折格子１３からの＋１次回折光と−１次回折光の光路差による回折光の複素振幅の位相の変調と、それらの回折光の移動回折格子１５上の入射位置の変位による回折光の複素振幅の位相の変調とが、同じ極性となる。【選択図】図１
2007147283.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を複数の光に分離する分離光学系と；
分離された前記複数の光をスケール上に導く光学系とを有するエンコーダにおいて、
前記分離光学系に対する前記入射光の入射角を変更する変更装置と；
前記変更装置による前記入射光の入射角の変更方向と同じ方向に、前記スケールに対する前記複数の光の入射角を変える光学部材とを備えることを特徴とするエンコーダ。
【請求項２】
前記光学部材は、前記分離光学系で分離された前記複数の光のそれぞれを複数回偏向させることを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ。
【請求項３】
前記光学部材は、
前記光学系の一部を構成することを特徴とする請求項１又は２に記載のエンコーダ。
【請求項４】
前記分離光学系は、
回折格子を有する回折光学素子を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のエンコーダ。
【請求項５】
前記変更装置は、
前記回折光学素子の姿勢を周期的に変動させることにより、前記入射光の入射角を変更することを特徴とする請求項４に記載のエンコーダ。
【請求項６】
前記入射光として、コヒーレントな光を射出する光源を有し、
前記変更装置は、前記光源と前記回折光学素子との間に配置され、前記回折光学素子に対して、前記光源から射出された光を偏向する偏向素子と、前記偏向素子を駆動する駆動機構とを備えることを特徴とする請求項４に記載のエンコーダ。
【請求項７】
前記入射光として、コヒーレントな光を射出し、かつ前記回折光学素子の格子の配列方向に沿って配列される複数の点光源を有し、
前記変更装置は、択一的に前記複数の点光源から前記光を射出するように、所定の周期信号に従って前記複数の点光源を制御することを特徴とする請求項４に記載のエンコーダ。
【請求項８】
入射光を複数の光に分離する分離光学系と、
分離された前記複数の光をスケール上に照射する光学系とを有するエンコーダにおいて、
前記分離光学系に対する前記入射光の入射方向を周期的に変更する変更装置を有し、
前記光学系は、前記分離光学系に対する前記入射光の入射方向と同じ方向から、前記スケール上に前記複数の光を照射することを特徴とするエンコーダ。
【請求項９】
前記光学系は、
前記分離光学系で分離された前記複数の光のそれぞれを複数回偏向させる偏向光学部材を有することを特徴とする請求項８に記載のエンコーダ。
【請求項１０】
前記分離光学系は、回折格子を有する回折光学素子を含むことを特徴とする請求項８又は９に記載のエンコーダ。
【請求項１１】
前記変更装置は、前記回折光学素子の姿勢を周期的に変動させることにより、前記入射光の入射角を変更することを特徴とする請求項１０に記載のエンコーダ。
【請求項１２】
前記入射光として、コヒーレントな光を射出する光源を有し、
前記変更装置は、前記光源と前記回折光学素子との間に配置され、前記回折光学素子に対して、前記光源から射出された光を偏向する偏向素子と、前記偏向素子を駆動する駆動機構とを備えることを特徴とする請求項１０に記載のエンコーダ。
【請求項１３】
前記入射光として、コヒーレントな光を射出し、かつ前記回折光学素子の格子の配列方向に沿って配列される複数の点光源を有し、
前記変更装置は、択一的に前記複数の点光源から前記光を射出するように、所定の周期信号に従って前記複数の点光源を制御することを特徴とする請求項１０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、光学式エンコーダに係り、さらに詳しくは、移動方向に直交させて配列した格子を有する回折格子に光を照射し、この回折格子を透過又は反射した光の強度変化を検出して、回折格子の相対的な移動量を検出するエンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、一般的な光学式エンコーダとして、移動体とともに移動し、かつ移動方向に直交させて等間隔に形成した格子を有する回折格子と、この回折格子に２つの可干渉光束を照射する照射光学系と、回折格子で回折された同次数の正負の回折光を干渉させて干渉光の強度変化を検出する検出器とを備え、この干渉光の強度変化に基づいて、回折格子の移動量を検出する回折干渉式のエンコーダが知られている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
近年、Ｓ／Ｎ比を向上させ、検出精度を高めた光学式エンコーダが提案されている（例えば、特許文献２）。このエンコーダは、移動体の移動方向に沿って配列された格子を有するスケールと、スケール上をその格子の配列方向に沿ってビームを振動させるプローブとを備え、このプローブは、ビームを格子の配列方向に振動することにより、ビームの振動中心を基準位置にしたスケールの相対位置に関する情報を含んだ信号を出力する。そして、このプローブから出力される信号と、ビームを振動させる駆動信号とを比較することでビームとスケールとの相対位置を求めている。
【０００４】
最近では、上記回折干渉方式のエンコーダについても、Ｓ／Ｎ比の向上が要求されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３５５７０号公報
【特許文献２】米国特許第６，６３９，６８６号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、第１の観点からすると、入射光を複数の光に分離する分離光学系と；分離された前記複数の光をスケール上に導く光学系とを有するエンコーダにおいて、前記分離光学系に対する前記入射光の入射角を変更する変更装置と；前記変更装置による前記入射光の入射角の変更方向と同じ方向に、前記スケールに対する前記複数の光の入射角を変える光学部材とを備えることを特徴とするエンコーダである。
【０００７】
これによれば、入射光の入射角の変更方向と同じ方向に、入射光を分離光学系により分離して生成された複数の光の入射角を変える光学部材が設けられているので、入射光の変化により生じた２つの回折光の間の光路差による回折光の複素振幅の位相の変調と、それらの回折光のスケール上の入射位置の相対変位による回折光の複素振幅の位相の変調とが、互いに相殺し合うことがないように、それらの変調方向を常に同じ方向とすることができる。この結果、２つの回折光の干渉状態を示す干渉信号の変調効率を常に高く維持することができる。
【０００８】
本発明は、第２の観点からすると、入射光を複数の光に分離する分離光学系と、分離された前記複数の光をスケール上に照射する光学系とを有するエンコーダにおいて、前記分離光学系に対する前記入射光の入射方向を周期的に変更する変更装置を有し、前記光学系は、前記分離光学系に対する前記入射光の入射方向と同じ方向から、前記スケール上に前記複数の光を照射することを特徴とするエンコーダである。
【０００９】
これによれば、入射光の変化により生じた２つの回折光の間の光路差による回折光の複素振幅の位相の変調と、それらの回折光のスケール上の入射位置の相対変位による回折光の複素振幅の位相の変調とが、互いに相殺し合うことがないように、それらの変調方向を常に同じ方向とすることができる。この結果、２つの回折光の干渉状態を示す干渉信号の変調効率を常に高く維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の一実施形態を図１〜図６に基づいて説明する。図１には、本発明の一実施形態に係るエンコーダ１００の主要部の構成が概略的に示されている。このエンコーダ１００は、いわゆる回折干渉方式のエンコーダであり、所定方向に移動する移動体（例えば、ステージなど）の移動方向、あるいは移動量、あるいは変位を検出するリニアエンコーダである。
【００１１】
図１に示されるように、このエンコーダ１００は、光源１１と、コリメータレンズ１２と、回折光学素子（インデックス回折格子）１３と、ミラー１４Ａ、１４Ｂと、スケール（移動回折格子）１５と、受光素子１６と、アクチュエータ１７と、振動ミラー１８とを備えている。
【００１２】
光源１１は、例えば、コヒーレントな光、例えば波長λ＝８５０ｎｍのレーザ光を＋Ｘ方向に射出する光源である。光源１１の＋Ｘ側に配置されたコリメータレンズ１２は、光源１１から発せられたレーザ光を平行光に変換する。
【００１３】
振動ミラー１８は、−Ｘ方向から入射したコリメータレンズ１２からの平行光を反射する。その平行光の反射方向は、概ね−Ｚ方向であるが、厳密には、振動ミラー１８の回転振動によって変動する反射面の向きによって決定される。振動ミラー１８の回転振動に伴うエンコーダ１００の動作については後に詳述する。
【００１４】
振動ミラー１８で反射された平行光は、インデックス回折格子１３に入射する。インデックス回折格子１３としては、例えば透過型の位相格子を採用することができる。インデックス回折格子１３の格子ピッチｐは、５０μｍ以下、例えば８μｍ程度に設定されている。
【００１５】
インデックス回折格子１３は、入射した平行光に基づいて、複数の回折光を発生させる。図１では、それらの回折光のうち、インデックス回折格子１３のＸ軸方向中央部で発生した±１次回折光が示されている。実線で示される＋Ｘ側に射出される回折光が＋１次回折光であり、点線で示される−Ｘ側に射出される回折光が−１次回折光である。なお、これらの回折光の出射角は、インデックス回折格子１３のピッチｐと、レーザ光の波長λによって決定される。なお、インデックス回折格子１３として、各格子を通過する光に位相差を生じさせて、０次光を消失するために、インデックス回折格子１３の格子の凹凸の差をλ／２に設定すればよい。
【００１６】
ミラー１４Ａ、１４Ｂは、インデックス回折格子１３と移動回折格子１５との間で、かつ互いにその反射面が対向するように配置されている。インデックス回折格子１３で発生した＋１次回折光は、ミラー１４Ａで反射した後、ミラー１４Ｂでさらに反射して、移動回折格子１５上に入射する。一方、インデックス回折格子１３で発生した−１次回折光は、ミラー１４Ｂで反射した後、ミラー１４Ａでさらに反射して、移動回折格子１５上に入射する。本実施形態では、インデックス回折格子１３の同一位置から発せられた±１次回折光は、ミラー１４Ａ、１４Ｂで１回ずつ計２回反射した後に、移動回折格子１５上の同じ位置で交わるように設定されている。すなわち、インデックス回折格子１３で分離された±１次回折光は、移動回折格子１５の同一位置に入射する。
【００１７】
移動回折格子１５は、インデックス回折格子１３と同様に、透過型の位相格子である。移動回折格子１５の格子ピッチｐは、インデックス回折格子１３のそれと同じであり、５０μｍ以下、例えば８μｍ程度に設定されている。移動回折格子１５では、その回折作用により、インデックス回折格子１３から発せられた±１次回折光の回折光が発生する。この回折光の出射角は、移動回折格子１５に入射する±１次回折光の入射角、移動回折格子１５のピッチｐ、レーザ光の波長λによって決定される。
【００１８】
移動回折格子１５は、インデックス回折格子１３から発せられた＋１次回折光を回折して−１次回折光を発し、インデックス回折格子１３から発せられた−１次回折光を回折して＋１次回折光を発する。移動回折格子１５で発せられた±１次回折光は、互いに−Ｚ側に進み、互いに干渉した状態で、受光素子１６に入射する。この結果、受光素子１６は、±１次回折光が互いに干渉した光（干渉光）の干渉強度を示す電流信号（干渉信号）Ｉを出力するようになる。なお、以下では、受光素子１６に入射する干渉光のうち、インデックス回折格子１３で発生した＋１次回折光が移動回折格子１５に入射することによって発生する−１次回折光を、（＋１、−１）次回折光と呼び、インデックス回折格子１３で発生した−１次回折光が移動回折格子１５に入射することによって発生する＋１次回折光を、（−１、＋１）次回折光と呼ぶものとする。
【００１９】
＜変位検出の基本原理＞
ところで、光源１１、コリメータレンズ１２、インデックス回折格子１３、ミラー１４Ａ、１４Ｂ、受光素子１６は、変位測定の基準となる不図示の固定物に固定されており、互いの位置が一定となっている。また、光源１１、コリメータレンズ１２、インデックス回折格子１３、ミラー１４Ａ，１４Ｂ、受光素子１６の組合せを、移動回折格子１５に対して、検出ユニットと呼ぶ。それに対して、移動回折格子１５は、不図示の移動体に固定され、移動体とともに変位する。この移動体が変位の測定対象である。その変位方向は、移動回折格子１５の格子の配列方向と同一方向である。ここでは、移動体の変位の検出原理について説明する。図２（Ａ）、図２（Ａ）には、移動体の変位の基本的な検出原理を説明するための図が示されている。
【００２０】
まず、移動回折格子１５が、図２（Ａ）に示される位置にあったとする。この場合、インデックス回折格子１３の点Ａで発生した±１次回折光は、移動回折格子１５の点Ｂ上に入射する。ここで、移動体の＋Ｘ方向の移動に伴って、移動回折格子１３が、図２（Ａ）で示される位置（Ｘ＝０の位置）から、図２（Ｂ）に示される位置に＋ｘだけ移動したとする。この場合、インデックス回折格子１３の点Ａで発生した±１次回折光は、その点Ｂよりも−Ｘ方向にｘだけ移動した位置Ｂ’に入射するようになる。
【００２１】
この移動後に、移動回折格子１５で発生し受光素子１６の受光面に到達する（＋１、−１）次回折光の複素振幅は、その振幅を規格化して表現すると、ｅｘｐ［２ｊπｘ／ｐ］となり、同じく（−１、＋１）次回折光の複素振幅は、同じく振幅を規格化して表現すると、ｅｘｐ［−２ｊπｘ／ｐ］となる。ここで、ｊは、単位複素数である。すなわち、インデックス回折格子１３に対する移動回折格子１５の相対変位ｘに応じて、（＋１、−１）次回折光の複素振幅の位相と、（−１、＋１）次回折光の複素振幅の位相とは、逆向きに変化する。
【００２２】
この場合、受光素子１６で受光される干渉信号Ｉは、後述するような変調がないものとすると、次式で示されるような値を有する信号となる。
Ｉ＝｜ｅｘｐ［−２ｊπｘ／ｐ］＋ｅｘｐ［２ｊπｘ／ｐ］｜２
【００２３】
すなわち、移動体の移動に伴い、移動回折格子１５がＸ軸方向に移動すると、インデックス回折格子１３と移動回折格子１５との相対変位が変化し、それに合わせて、受光素子１６で受光される、（＋１、−１）次回折光と、（−１、＋１）次回折光との位相差が変化し、それらの干渉状態が変化する。そこで、不図示の検出装置では、受光素子１６から得られた変調された干渉信号Ｉの強度変化に基づいて、インデックス回折格子１３に対する移動回折格子１５の相対変位ｘを検出する。これが移動体のＸ軸方向の変位となる。
【００２４】
＜変調について＞
ところで、受光素子１６からの干渉信号Ｉは、振動ミラー１８の振動により、変調されるようになる。以下では、その変調の基本原理について説明する。
【００２５】
図１に戻り、振動ミラー１８は、その一端が、Ｙ軸に平行な回転軸に接続されており、その回転軸を中心にＹ軸回りに回転可能となっている。振動ミラー１８の他端は、アクチュエータ１７に接続されている。アクチュエータ１７は、例えば、ピエゾ素子などから構成されており、振動幅が数μｍ、周波数が２０ｋＨｚ〜３０ｋＨｚ程度で振動可能となっている。アクチュエータ１７は、不図示の制御装置の制御の下、所定の周期信号、例えば正弦波状の信号に従って、ＸＺ平面内で、振動ミラー１８が回転軸を中心に回転するように、振動ミラーのミラー面と直交する方向に往復振動している。この結果、振動ミラー１８は、Ｙ軸回りに所定の振幅をもって回転振動するようになる。
【００２６】
この振動ミラー１８の回転振動により、インデックス回折格子１３に対する平行光の入射角は、周期的に変動するようになる。この結果、インデックス回折格子１３で発生する±１次回折光の出射角も、変調されるようになる。
【００２７】
＜回折格子の入射位置のシフトによる変調＞
図３には、インデックス回折格子１３への入射光の入射角の変調に応じて、インデックス回折格子１３で発生する回折光の変化の様子が示されている。図３に示されるように、インデックス回折格子１３に入射する光が、Ｚ軸に対して＋Ｘ側に傾いていた場合には、インデックス回折格子１３上の点Ａで発生した±１次回折光は、移動回折格子１５上に対して、（実線）で示されるように、点Ｂから−Ｘ側にΔｘだけシフトした点Ｃに入射するようになる。
【００２８】
一方、図４には、実際に、移動回折格子１５が点Ｂ’からさらに＋Ｘ側にΔｘだけ移動した状態が示されている。この場合、図４に示されるように、インデックス回折格子１３の点Ａから発せられた±１次回折光は、点Ｂ’からさらに−Ｘ側にΔｘだけ離れた点Ｃに入射するようになる。すなわち、インデックス回折格子１３への入射光の入射角が変調された場合におけるインデックス回折格子１３が射出する±１次回折光の射出位置と、移動回折格子１５上における±１次回折光の入射位置との関係は、インデックス回折格子１３への入射光の入射角を変調させた場合と、移動回折格子１５を移動させた場合とで同じである。
【００２９】
図４に示される場合では、受光素子１６で検出される（＋１、−１）次回折光の複素振幅は、ｅｘｐ［２ｊπ（ｘ＋Δｘ）／ｐ］となり、（−１、＋１）次回折光の複素振幅は、ｅｘｐ［−２ｊπ（ｘ＋Δｘ）／ｐ］となる。すなわち、（＋１、−１）次回折光の複素振幅の位相と、（−１、＋１）次回折光の複素振幅の位相とは、同じ大きさで、逆方向に変化するようになる。したがって、図３に示される場合でも、（＋１、−１）次回折光の複素振幅の位相と、（−１、＋１）次回折光の複素振幅の位相とは、図４に示される場合と同様に、同じ大きさで、逆方向に変調されるようになる。
【００３０】
＜光路長による変調＞
また、図５には、インデックス回折格子１３で生じた±１次回折光の光路差の変化の様子が示されている。図５では、ミラー１４Ａ、１４Ｂが配置されていない場合の、±１次回折光の光路についても、移動回折格子１５上に到達するまでが示されている。図５に示されるように、移動回折格子１５に導かれる＋１次回折光の光路は、インデックス回折格子１３への入射光が＋Ｘ側に傾いている場合に対し、インデックス回折格子１３への入射光が垂直、すなわち傾いていない場合の方が短くなって、移動回折格子１５上でのその複素振幅の位相は進むようになり、結果的に、移動回折格子１５で発生する（＋１、−１）次回折光の複素振幅の位相も進むようになる。また、移動回折格子１５に導かれる−１次回折光の光路は、インデックス回折格子１３への入射光が＋Ｘ側に傾いている場合に対し、インデックス回折格子１３への入射光が垂直、すなわち傾いていない場合の方が長くなって移動回折格子１５上でのその複素振幅の位相は遅れるようになり、結果的に、移動回折格子１５で発生する（−１、＋１）次回折光の複素振幅の位相も遅れるようになる。
【００３１】
以上述べたように、インデックス回折格子１３への入射光の入射角が傾斜すると、移動回折格子１５で再干渉する２つの回折光（±１次回折光）の複素振幅の位相が変化するようになる。その位相の変化の要因には、インデックス回折格子１３から±１次回折光が射出する射出位置と、±１次回折光が移動回折格子１５上に入射する入射位置のずれに伴って発生する擬似的な移動回折格子１５上の入射位置の変化と、インデックス回折格子１３から、移動回折格子１５に到達するまでの±１次回折光の光路長の変化とがある。
【００３２】
さらに詳細には、インデックス回折格子１３への入射光の入射角が＋Ｘ方向に傾斜すると、受光素子１６で受光される（＋１、−１）次回折光の複素振幅は、移動回折格子１５上の入射位置のシフトによってその位相が進み、＋１次回折光の光路長の変化によってさらに位相が進むようになり、受光素子１６で受光される（−１、＋１）次回折光の複素振幅は、移動回折格子１５への入射位置のシフトによってその位相が遅れ、−１次回折光の光路長の変化によってさらに位相が遅れるようになる。
【００３３】
言い換えると、インデックス回折格子１３への入射光の入射角が、＋Ｘ方向に傾斜した場合には、受光素子１６に入射する（＋１、−１）次回折光の複素振幅の位相は、移動回折格子１５上の入射位置の変化によっても、＋１次回折光の光路長の変化によっても進み、（＋１、−１）次回折光の複素振幅の位相は、移動回折格子１５上の入射位置の変化によっても、−１次回折光の光路長の変化によっても遅れるようになる。
【００３４】
このことは、インデックス回折格子１３に入射する入射光の入射角が、−Ｘ側に入射した場合でも同様である。この場合でも、受光素子１６に入射する（＋１、−１）次回折光の複素振幅の位相は、＋１次回折光の光路長の変化によっても、移動回折格子１５上の入射位置の変化によっても、遅れるようになり、（−１、＋１）次回折光の複素振幅の位相は、−１次回折光の光路長の変化によっても、移動回折格子１５上の入射位置の変化によっても、遅れるようになる。
【００３５】
以上述べたように、本実施形態によれば、±１次回折光の光路長による位相変化の成分と、移動回折格子１５上の±１次回折光の入射位置の変化による位相変化の成分とは、常に同符号となり、打ち消しあうことなく、互いに強め合うようになり、逆に、回折光間、すなわち（＋１、−１）次回折光と（−１、＋１）次回折光との間では、逆符号となる。また、上述したように、インデックス回折格子１３に入射する入射光の入射角は、振動ミラー１８の回転振動によって周期的に変動する。これにより、変調される（＋１、−１）次回折光と（−１、＋１）次回折光との位相差の変化が大きくなり、結果的に、それらの回折光の干渉状態を示す干渉信号Ｉについて、良好な変調効率を得ることができるようになる。
【００３６】
本実施形態に係るエンコーダ１００では、ミラー１４Ａ、ミラー１４Ｂにより±１次回折光をそれぞれ２回反射させることによって高い変調効率が実現されている。ここで、例えば、ミラー１４Ａ、１４Ｂにおける回折光の反射回数を１回とした場合について考える。この場合には、例えば、インデックス回折格子１３に対する入射光が＋Ｘ側に傾斜したとすると、インデックス回折格子１３の±１次回折光の射出位置と移動回折格子１５に対する±１次回折光の入射位置とは、本実施形態に係るエンコーダ１００とは逆に、＋Ｘ方向にΔｘずれるようになる。この結果、（−１、＋１）次回折光については、その複素振幅の位相が遅れるようになり、（＋１、−１）次回折光については、その複素振幅の位相が進むようになる。すなわち、この場合には、±１次回折光の光路長による位相変動と、回折格子による位相変動とは、逆符号となって互いに打ち消し合うようになり、（＋１、−１）次回折光、（−１、＋１）の複素振幅の位相の変化量が小さくなり、その結果、干渉信号Ｉの変調効率が低下する。
【００３７】
なお、本発明者らの鋭意検討により、インデックス回折格子１３から発した±１次回折光をそれぞれ１回しか反射させない場合と、±１次回折光をそれぞれ２回反射させる場合とでの、干渉信号Ｉの変調効率の比較を行ったところ、±１次回折光を１回しか反射させない場合では、入射角が１度変化すると、両回折光の位相差の変化量は、０．００２ｒａｄとなったのに対し、±１次回折光を２回反射させる場合では、入射角が１度変化すると、両回折光の位相差の変化量は、９ｒａｄとなり、本実施形態に係るエンコーダ１００について十分な変調効率が得られていることが証明されている。
【００３８】
図６には、本実施形態に係るエンコーダ１００における、インデックス回折格子１３に入射する±１次回折光の入射角と、移動回折格子１５に入射する回折光の入射角との関係が示されている。なお、図６では、説明を簡単にするために、インデックス回折格子１３に入射する±１次回折光の入射角の変動によって発生する移動回折格子１５上の回折光の入射位置のＸ軸方向のシフトは、省略して図示している。
【００３９】
図６の点線で示されるように、インデックス回折格子１３に入射する入射光の入射角がＺ軸に対して＋Ｘ側に変化した場合には、移動回折格子１５に入射する±１次回折光の入射角も＋Ｘ側に変化する。また、図６の一点鎖線で示されるように、インデックス回折格子１３に入射する入射光の入射角が−Ｘ側に変化した場合には、移動回折格子１５に入射する±１次回折光の入射角も−Ｘ側に変化する。すなわち、本実施形態に係るエンコーダ１００においては、インデックス回折格子１３に対して入射光の入射角が変化する方向と、移動回折格子１５へ入射する各回折光の入射角が変化する方向とが同じとなるように設定されている。言い換えれば、インデックス回折格子１３に入射する入射方向と、移動回折格子１５へ入射する各回折光の入射方向とが同じ方向となるように設定されている。このようにすれば、前述したように、±１次回折光の光路長による位相変化と、移動回折格子１５上の±１次回折光の入射位置の変化による位相変化とが、常に同符号となり、打ち消しあうことなく、互いに強め合うようになるのである。
【００４０】
受光素子１６から得られる変調された干渉信号Ｉを受信した不図示の検出装置は、十分な変調効率が得られているこの干渉信号Ｉについて、アクチュエータの駆動による振動ミラー１８の振動周波数ω（前述した正弦波の角周波数）、すなわち変調周波数ωの整数倍の正弦波信号を用いて同期検波を行う。この同期検波により、干渉信号Ｉの時間変化の０次成分、１次成分、２次成分、３次成分、４次成分、…が検出される。
【００４１】
この検出装置では、干渉信号Ｉの時間変化の特定周波数成分、例えば、変調周波数ωの１次成分と２次成分とを、９０度ずれた位相で変位ｘを表すサイン信号（ｓｉｎ（４πｘ／ｐ））とコサイン信号（ｃｏｓ（４πｘ／ｐ））として用いることができる。すなわち、本実施形態に係るエンコーダ１００によれば、受光素子１６を１つしか備えていないにもかかわらず、受光素子１６からの時間信号を時間変化させているので、その時間変化からサイン信号とコサイン信号との双方と得ることが可能となる。
【００４２】
なお、検出装置においては、検出した成分のうち、０次成分を、光源１１の光量制御に用いることが可能であり、１次成分と３次成分との比又は２次成分と３次成分との比によって、アクチュエータ１７による振動ミラー１８の回転信号によるインデックス回折格子１３への入射光の入射角の変動制御（すなわち変調度制御）に用いるようにしてもよい。
【００４３】
なお、上述したように、インデックス回折格子１３への入射光の入射角の変更により、移動回折格子１５への入射位置の変化による±１次回折光の複素振幅の位相の変調周波数と、±１次回折光の光路長の変化による各回折光の複素振幅の位相の変調周波数は同じ（ともにω）であるため、検出装置においても同一の周波数ωで、サイン信号とコサイン信号とを同期検波することができる。
【００４４】
以上詳細に述べたように、本実施形態に係るエンコーダ１００によれば、インデックス回折格子１３への入射光がそのインデックス回折格子１３に対し傾く方向と、移動回折格子１５上に入射する±１次回折光の傾く方向とが同じとなるように、＋１次回折光と−１次回折光とを導くミラー１４Ａ、１４Ｂが配置されている。これにより、移動回折格子１５の作用により再干渉する（＋１、−１）次回折光と（−１、＋１）次回折光との位相差の原因となる、インデックス回折格子１３からの＋１次回折光と−１次回折光の光路差による各回折光の複素振幅の位相の変調方向と、それらの回折光の移動回折格子１５上の入射位置のシフトによる回折光の複素振幅の位相の変調方向とが、同じ方向となる。この結果、（＋１、−１）次回折光と、（−１、＋１）次回折光との位相差の変動を大きくすることができるようになり、それらの回折光の干渉結果を示す信号である干渉信号Ｉについて、良好な変調効率を得ることができるようになる。
【００４５】
この作用により、エンコーダ１００においては、設計上様々な工夫が可能となる。例えば、インデックス回折格子１３への入射光の入射角が小さくても、十分な変調効率が得られるので、アクチュエータ１７の振動振幅を小さくして、振動ミラー１８を振動させるための振動振幅を小さくすることができる。これにより、アクチュエータ１７を駆動する駆動電圧などを小さくすることができるようになる。その結果、それらの耐久性を向上させることができるようになり、キャリア周波数のノイズの低減なども実現することができるようになる。
【００４６】
なお、本実施形態では、２枚のミラー１４Ａ，１４Ｂを対向するように配置し、その２つのミラー１４Ａ、１４Ｂを用いてインデックス回折格子１４で発生した±１次回折光を、移動回折格子１３上の略同一位置に導くようにしたが、回折光を反射させる位置毎にミラーを置くようにしてもよい。すなわち、４枚のミラーを、回折光の反射位置に個別に配置するようにしてもよい。
【００４７】
また、本実施形態では、インデックス回折格子１３で発生した±１次回折光を、移動回折格子１５に導く際に、ミラー１４Ａ、１４Ｂで反射させる反射回数を２回としたが、本発明においては、反射回数は２回に限定されるものではない。要は、インデックス回折格子１３に対して入射光の入射角が変化する方向と、移動回折格子１５へ入射する各回折光の入射角が変化する方向とが同じとなるような反射回数であればよい。
【００４８】
また、上記実施形態では、インデックス回折格子１３で発生した±１次回折光を移動回折格子１５上に導く光学系として、ミラー１４Ａ、１４Ｂを採用したが、これらの代わりに、プリズムやビームスプリッタ、あるいはレンズを用いても良い。例えば、インデックス回折格子１３の倒立像でなく、正立像を移動回折格子１５上に結像させるようなレンズ群をインデックス回折格子１３と移動回折格子１５との間に配置すればよい。
【００４９】
すなわち、インデックス回折格子１３で発生した±１次回折光を移動回折格子１５上に導くためには、ミラーを用いた反射光学系のみならず、それらの回折光を屈折させる屈折光学系を用いることができる。要は、本発明においては、インデックス回折格子１３で発生した±１次回折光を複数回偏向させた上で、インデックス回折格子１３に対して入射光の入射角が変化する方向と、移動回折格子１５へ入射する各回折光の入射角が変化する方向とが同じとなるように、各回折光を導くような光学系を用いればよい。
【００５０】
なお、上記実施形態では、アクチュエータ１７としてピエゾ素子を用いたが、磁歪素子、ボイス・コイル・モータ、回転モータなどを用いても良い。すなわち、本発明は、アクチュエータには制限されない。また、振動ミラーは、例えば、水晶振動子の表面に反射膜をコーティングしたものを用いても良い。
【００５１】
また、上記実施形態では、インデックス回折格子１３に入射する入射光の入射角を、振動ミラー１８による回転振動により変更したが、本発明はこれには限られない。
【００５２】
図７には、本発明を好適に適用可能な他のエンコーダとして、エンコーダ１０１の概略的な構成が示されている。エンコーダ１０１は、図７に示されるように、変調ミラー１８及びアクチュエータ１７の変調機構の代わりに、光源１１’が採用されている点が、上記実施形態に係るエンコーダ１００と異なっている。
【００５３】
光源１１’は、所定のピッチで複数の点光源が配置された点光源アレイである。この光源１１’では、点光源がＸ軸方向に一列で配列されており、その配列ピッチは、インデックス回折格子１３等のピッチよりも十分に小さくなるように設定されている。各点光源としては、面発光レーザ光源を採用することができる。
【００５４】
これらの点光源は、不図示の光源駆動装置によって駆動される。この光源駆動装置は、、光源１１’の複数の点光源のうち、点灯する光源を、択一的に切り替え、その点灯位置を周期的に変動させる。いずれか１つの点光源から発せられたレーザ光は、コリメータレンズ１２によって平行光に変換されたうえで、インデックス回折格子１３に入射するようになり、発光する点光源の位置に応じて、インデックス回折光１３に入射する平行光の入射角度を変更できるようになる。したがって、複数の点光源の発光パターンに周期性を持たせれば、上記実施形態に係るエンコーダ１００と同様に、その入射角の変調が実現されるようになり、上記実施形態に係るエンコーダ１００と同様に高い変調効率を得ることができるようになる。
【００５５】
このような点灯位置の切り替えは、振動ミラー１８の回転振動のように、物体の位置及び姿勢を変動させるよりも、高速化が可能であるので、周期変調の変調周波数を、上記実施形態に係るエンコーダよりも高めることができ、例えばＭＨｚレベルにすることも可能である。
【００５６】
なお、このような複数の点光源を有する光源によって入射角の変更を実現するエンコーダに限らず、液晶などの空間フィルタと、集光レンズとを組合せたものを用いて、回折格子に入射する入射光の入射角を変更させるエンコーダを採用するようにしてもよい。空間フィルタにおけるレーザ光が透過する位置を所定の周期信号に従ってＸ軸方向に変化させて、その空間フィルタを通過したレーザ光を、集光レンズによって屈折させれば、回折格子に入射する入射光の入射角を変動させることが可能となる。
【００５７】
また、光源そのものの位置を、ピエゾ素子等のアクチュエータを用いて、Ｘ軸方向に周期的に変動させるようにしてもよい。また、光源と、インデックス回折格子との間に、音響光学素子（ＡＯＭ）や電気光学素子（ＥＯＭ）など透過する光の屈折率を自在に変化させることが可能な光学素子を配置して、その光学素子に周期的に屈折率を変化させるような信号等を供給することにより、インデックス回折格子に対する入射光の入射角度を変更させるようにしてもよい。
【００５８】
なお、上記実施形態では、インデックス回折格子１３に対して、入射光の入射角を変更させたが、その代わりに、インデックス回折格子１３をＹ軸回りに回転振動させ、その姿勢を周期的に変動させるようにしてもよい。このようにしても、インデックス回折格子１３に対する入射光の入射角は周期変動するようになり、上記実施形態に係るエンコーダ１００と同様に、高い変調効率を得ることが可能である。
【００５９】
また、インデックス回折格子１３と移動回折格子１５との配置関係は逆であってもよい。すなわち、振動ミラー１８で変調された平行光を入射する回折格子を移動回折格子とし、その回折格子で生じた回折光を入射する回折格子をインデックス回折格子としてもよい。また、回折格子の数は、２つには限られず、１つでもよい。この場合には、単一の反射型の回折格子上の所定の場所に入射した入射光に対して発生する回折光を、その回折格子の異なる場所に、再度入射させるようなタイプのエンコーダとなる。また、回折格子を３枚以上備えるエンコーダであってもよい。また、上記実施形態では、検出ユニットを固定物に固定し、移動回折格子１５を移動体に固定する場合について説明したが、移動回折格子１５と検出ユニットとは、相対的に移動すればよいので、移動回折格子１５を固定物に固定し（固定物に固定された場合には、固定回折格子と称する）、検出ユニットを移動体に固定してもよい。また、スケールとして、移動回折格子を用いて説明したが、スケールとして、透光部と遮光部とが交互に配列されたパターンが形成されたものを用いてもよい。
【００６０】
また、上記実施形態では、インデックス回折格子１３、移動回折格子１５を透過型の位相格子としたが、インデックス回折格子１３を反射型の回折格子で構成してもよい。図８には、インデックス回折格子１３を反射型の回折格子とした場合のエンコーダの一例として、エンコーダ１０２が示されている。このエンコーダ１０２は、プリズム１９Ａ，１９Ｂをさらに備えているため、ミラー１４Ａ、ミラー１４Ｂで反射する±１次回折光の反射回数は１回である。
【００６１】
インデックス回折格子１３’は反射型回折格子であるため、図８に示されるように、インデックス回折格子１３’で発生する±１次回折光は、＋Ｚ側に射出される。プリズム１９Ａは−１次回折光を２回全反射して射出し、プリズム１９Ｂは、＋１次回折光を２回全反射して射出する。プリズム１９Ａから射出された−１次回折格子は、ミラー１４Ａで１回反射して、移動回折格子１５上に入射する。また、プリズム１９Ｂから射出された＋１次回折格子は、ミラー１４Ｂで反射して、移動回折格子１５の−１次回折光の入射位置とほぼ同じ位置に入射する。すなわち、このエンコーダ１０２においては、インデックス回折格子１３で発生した回折光を３回反射して、移動回折格子１３上に入射する光学系が用いられている。
【００６２】
このようなエンコーダ１０２であっても、上記実施形態に係るエンコーダ１００と同様に、高い変調効率を得ることができる。なお、移動回折格子１５についても反射型の回折格子とすることができるが、この場合には、受光素子１６を、その受光面を−Ｚ側として、移動回折格子１５の＋Ｚ側に配置すればよい。
【００６３】
また、インデックス回折格子１３と移動回折格子１５のピッチを必ずしも同一とする必要はないが、インデックス回折光１３、移動回折格子１５で発生する回折光の射出方向は、光の波長λと、これらのピッチによって決定されるため、インデックス回折格子１３と移動回折格子１５との間の光学系、受光素子１６などの互いの配置関係は、これらの回折格子のピッチによって適宜決定されるようになる。例えば、インデックス回折格子１３と移動回折格子１５とのピッチが異なる場合には、ミラー１４Ａの反射面とミラー１４Ｂの反射面とは、互いに平行に配置されるのではなく、そのピッチの比に応じて配置されるようになる。
【００６４】
このように、エンコーダにおける光学系の配置は、様々な変形が可能である。紙面の都合上、上記実施形態等においては、エンコーダにおける光学系の各種光学素子を、ＸＺ平面内にすべて配置したが、これに限らず、インデックス回折格子１３で発生した回折光を移動回折格子１５上に導く光学系の各種光学素子を、３次元的に配置してもよいことは勿論である。
【００６５】
なお、上記実施形態では、±１次回折光を計測光として用いたが、本発明はこれには限られない。さらに高次の回折光の再干渉光を計測光として用いてもよいし、０次とｎ次（又は−ｎ次）、＋ｎ次と＋（ｍ＋ｎ）次というように異なる次数の回折光同士の再干渉光を計測光として用いてもよい。また、上記実施形態では、回折光学素子として、インデックス回折格子を用いたが、光源から射出されるコヒーレントな光を２つ分割するビームスプリッタを用いてもよい。ビームスプリッタを用いた場合にも、ビームスプリッタで分割された２つの光の各々を移動回折格子１５上の同一位置に導いて干渉させればよい。
【００６６】
なお、上記実施形態では、インデックス回折格子１３と、移動回折格子１５とを、位相格子としたが、振幅型の回折格子としてもよいのは勿論である。
【００６７】
なお、上記実施形態では、変調ミラー１８を振動させるアクチュエータ１７の振動が従う周期信号を正弦波としたが、この周期信号は、三角波でもよいし、のこぎり波であってもよい。要は、変調信号は所定の周期信号であればよい。
【００６８】
なお、本実施形態に係るエンコーダ１００は、移動体の一軸方向の変位を検出するリニアエンコーダであったが、本発明は、回転体の回転量を検出するロータリーエンコーダにも適用することができることは勿論である。
【００６９】
上記実施形態におけるレーザ光の波長や各回折格子のピッチｐの値などは、あくまで一例であって、エンコーダに対して要求される分解能に応じて適宜決定される。回折格子のピッチｐを小さくすればするほど、エンコーダの分解能は向上する。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
以上説明したように、本発明のエンコーダは、移動体の変位を検出するのに適している。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の一実施形態に係るエンコーダの概略的な構成を示す図である。
【図２】図２（Ａ）は、移動体の変位の基本的な検出原理を説明するための図（その１）であり、図２（Ｂ）は、移動体の変位の基本的な検出原理を説明するための図（その２）である。
【図３】インデックス回折格子へ入射する入射光の入射角度が変調された場合の回折光の様子を示す図である。
【図４】移動回折格子が実際に、−Ｘ側にΔｘだけ移動した状態を示す図である。
【図５】光路長の変化による回折光の位相の変調を示す図である。
【図６】インデックス回折格子へ入射する入射光と、移動回折格子に入射する回折光との関係を説明するための図である。
【図７】エンコーダの変形例（その１）を示す図である。
【図８】エンコーダの変形例（その２）を示す図である。
【符号の説明】
【００７２】
１１、１１’…光源、１２…コリメータレンズ、１３…インデックス回折格子、１４Ａ、１４Ｂ…ミラー、１５…移動回折格子、１６…受光素子、１７…アクチュエータ、１８…振動ミラー、１９Ａ，１９Ｂ…プリズム、１００，１０１，１０２…エンコーダ。
【図１】
2007147283.tif 000003
【図２】
2007147283.tif 000004
【図３】
2007147283.tif 000005
【図４】
2007147283.tif 000006
【図５】
2007147283.tif 000007
【図６】
2007147283.tif 000008
【図７】
2007147283.tif 000009
【図８】
2007147283.tif 000010