(57)【要約】【課題】光学式絶対値エンコーダを高分解能化した場合もスケール基板と検出部の間隔を広く保つことができ、かつ誤差の少ない高精度な光学式絶対値エンコーダを実現する。【解決手段】１つのアブソリュートデータを生成するアブソリュートデータ生成手段と、異なる周期のインクリメンタルデータを生成する複数のインクリメンタルデータ生成手段とを有し、インクリメンタルデータ生成手段のうち、データ周期の短いものから少なくとも２つのインクリメンタルデータ生成手段に、各々、インデックススケール７，８と、インクリメンタルスケール３，４と、受光素子アレイ１１，１２とを備えた構成とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つのアブソリュートデータを生成するアブソリュートデータ生成手段と、それぞれが異なる周期のインクリメンタルデータを生成する複数のインクリメンタルデータ生成手段とを有し、
上記インクリメンタルデータ生成手段のうち、データ周期の短いものから少なくとも２つのインクリメンタルデータ生成手段は、各々、光源からの光を透過または反射するスケールＡと、上記スケールＡを透過または反射した光を受光素子アレイにより受光する検出部Ａとを備え、上記各スケールＡが第一の移動量Ｌだけ移動した際、各検出部Ａの受光素子アレイ上に生成される光強度分布の各移動量は上記第一の移動量Ｌとは異なるが、上記各移動量は互いに同等であるように構成し、
上記少なくとも２つのインクリメンタルデータ生成手段以外のインクリメンタルデータ生成手段、および上記アブソリュートデータ生成手段は、各々、光源からの光を透過または反射するスケールＢと、上記スケールＢを透過または反射した光を受光素子または受光素子アレイにより受光する検出部Ｂとを備え、上記各スケールＢが第一の移動量Ｌだけ移動した際、各検出部Ｂの受光素子または受光素子アレイ上に生成される光強度分布の各移動量は上記第一の移動量Ｌと同等となるように構成し、
上記検出部Ａの検出信号と上記検出部Ｂの検出信号とを組み合わせて、絶対位置情報を測定することを特徴とする光学式絶対値エンコーダ。
【請求項２】
１つのアブソリュートデータを生成するアブソリュートデータ生成手段と、それぞれが異なる周期のインクリメンタルデータを生成する複数のインクリメンタルデータ生成手段とを有し、
上記インクリメンタルデータ生成手段のうち、データ周期の短いものから少なくとも２つのインクリメンタルデータ生成手段は、各々、光源からの光を透過または反射するインデックススケールＡと、光源からの光を透過または反射するスケールＡと、上記インデックススケールＡおよび上記スケールＡを透過または反射した光を受光素子アレイにより受光する検出部Ａとを備え、上記各スケールＡが第一の移動量Ｌだけ移動した際、各検出部Ａの受光素子アレイ上に生成される光強度分布の各移動量は上記第一の移動量Ｌとは異なるが、上記各移動量は互いに同等であるように構成し、
上記少なくとも２つのインクリメンタルデータ生成手段以外のインクリメンタルデータ生成手段、および上記アブソリュートデータ生成手段は、各々、光源からの光を透過または反射するスケールＢと、上記スケールＢを透過または反射した光を受光素子または受光素子アレイにより受光する検出部Ｂとを備え、上記各スケールＢが第一の移動量Ｌだけ移動した際、各検出部Ｂの受光素子または受光素子アレイ上に生成される光強度分布の各移動量は上記第一の移動量Ｌと同等となるように構成し、
上記検出部Ａの検出信号と上記検出部Ｂの検出信号とを組み合わせて、絶対位置情報を測定することを特徴とする光学式絶対値エンコーダ。
【請求項３】
各インデックススケールＡを同一のインデックススケール基板に、各検出部Ａおよび各検出部Ｂを同一の検出基板に、各スケールＡおよび各スケールＢを同一のスケール基板に形成したことを特徴とする請求項２記載の光学式絶対値エンコーダ。
【請求項４】
インデックススケールＡをシリンドリカルレンズアレイにより構成したことを特徴とする請求項２記載の光学式絶対値エンコーダ。
【請求項５】
データ周期の最も短いインクリメンタルデータ生成手段において、検出部Ａの受光素子アレイ上に生成される光強度分布のうち基本空間周波数を持つ光強度分布のコントラストが最大になるように、スケールＡとインデックススケールＡとの距離、およびスケールＡと検出部Ａの受光素子アレイとの距離を設定することを特徴とする請求項２記載の光学式絶対値エンコーダ。
【請求項６】
データ周期が２番目に短いインクリメンタルデータ生成手段において、検出部Ａの受光素子アレイ上に生成される光強度分布のうち基本空間周波数を持つ光強度分布のコントラストが略最大になるように、スケールＡとインデックススケールＡとの距離、およびスケールＡと検出部Ａの受光素子アレイとの距離を設定することを特徴とする請求項５記載の光学式絶対値エンコーダ。
【請求項７】
データ周期の短いものから少なくとも２つのインクリメンタルデータ生成手段は、光源側より、インデックススケールＡ、スケールＡ、検出部Ａの順に配列することを特徴とする請求項２記載の光学式絶対値エンコーダ。
【請求項８】
データ周期の短いものから少なくとも２つのインクリメンタルデータ生成手段は、光源側より、スケールＡ、インデックススケールＡ、検出部Ａの順に配列することを特徴とする請求項２記載の光学式絶対値エンコーダ。
【請求項９】
１つのアブソリュートデータを生成するアブソリュートデータ生成手段と、それぞれが異なる周期のインクリメンタルデータを生成する複数のインクリメンタルデータ生成手段とを有し、
上記インクリメンタルデータ生成手段のうち、データ周期の短いものから少なくとも２つのインクリメンタルデータ生成手段は、少なくとも１つの点光源あるいは位置検出方向に発散する線光源を備えると共に、各々、上記点光源あるいは上記線光源からの発散光を透過または反射するスケールＡと、上記スケールＡを透過または反射した光を受光素子アレイにより受光する検出部Ａとを備え、上記各スケールＡが第一の移動量Ｌだけ移動した際、各検出部Ａの受光素子アレイ上に生成される光強度分布の各移動量は上記第一の移動量Ｌとは異なるが、上記各移動量は互いに同等であるように構成し、
上記少なくとも２つのインクリメンタルデータ生成手段以外のインクリメンタルデータ生成手段、および上記アブソリュートデータ生成手段は、各々、光源からの光を透過または反射するスケールＢと、上記スケールＢを透過または反射した光を受光素子または受光素子アレイにより受光する検出部Ｂとを備え、上記各スケールＢが第一の移動量Ｌだけ移動した際、各検出部Ｂの受光素子または受光素子アレイ上に生成される光強度分布の各移動量は上記第一の移動量Ｌと同等となるように構成し、
上記検出部Ａの検出信号と上記検出部Ｂの検出信号とを組み合わせて、絶対位置情報を測定することを特徴とする光学式絶対値エンコーダ。
【請求項１０】
データ周期の最も短いインクリメンタルデータ生成手段において、検出部Ａの受光素子アレイ上に生成される光強度分布のうち基本空間周波数を持つ光強度分布のコントラストが最大になるように、スケールＡと点光源あるいは線光源との距離、およびスケールＡと検出部Ａの受光素子アレイとの距離を設定することを特徴とする請求項９記載の光学式絶対値エンコーダ。
【請求項１１】
データ周期が２番目に短いインクリメンタルデータ生成手段において、検出部Ａの受光素子アレイ上に生成される光強度分布のうち基本空間周波数を持つ光強度分布のコントラストが略最大になるように、スケールＡと点光源あるいは線光源との距離、およびスケールＡと検出部Ａの受光素子アレイとの距離を設定することを特徴とする請求項１０記載の光学式絶対値エンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スケールを用い測定対象物体の位置や速度を光学的に検出する光学式絶対値エンコーダに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、回転体の角度位置および速度を検出する光学式エンコーダや、直線移動体の直線位置および速度を検出する光学式エンコーダが知られている。光学式エンコーダには信号検出部とスケールとの相対移動量を測定するインクリメンタル型エンコーダと、ある基準位置からの絶対位置を測定するアブソリュート型エンコーダがある。
さらには、スケール基板にインクリメンタルスケールとアブソリュートスケールの両方を備え、上述のインクリメンタル型検出とアブソリュート型検出とを同時に行うことにより、高分解能、高精度な絶対位置検出あるいは速度測定を行うものがあった（例えば、特許文献１参照。）。このような光学式絶対値エンコーダでは、一般に光束をインクリメンタルスケールおよびアブソリュートスケールに照射し、各々のスケールを透過してできる周期的な光強度分布、あるいはスケールから反射してできる周期的な光強度分布、あるいは透過光量、反射光量などを各々測定することで絶対位置、変位、速度情報等を得ている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−１９４１８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
最近、上述のインクリメンタル型検出とアブソリュート型検出とを行うエンコーダの高分解能化に対する要求が高くなっており、このような高分解能化を実現するためには、インクリメンタルスケールの格子周期を短くする必要がある。しかしながら、短い周期の格子を光束が透過あるいは反射すると回折現象により透過強度分布あるいは反射強度分布のコントラストが格子通過直後から低下し始めるため、格子直近にて上述の光強度分布を検出する必要がある。また、一般に高分解能な検出を実現するには、上記光強度分布から得られる正弦波状の検出信号を電気内挿するため、上記光強度分布のコントラストは大きいことが望ましい。また、上述のようなインクリメンタル型検出とアブソリュート型検出を行うエンコーダのスケール基板には２トラック以上のスケールが備えられるが、上記スケール基板と検出部との間隔は最も短い格子周期を持つインクリメンタルスケールにより制約される。例えば最も短い格子周期を５０μｍ程度にした場合、スケールと検出部との間隔を１００μｍ程度まで近づける必要がある。
このように、インクリメンタル型検出とアブソリュート型検出とを行うエンコーダを高分解能化するためには、スケール基板と検出部との間隔を近づけつつ、スケール基板と検出部との接触を防ぎ、かつ検出性能の劣化を避けるために設計間隔の公差を小さくする必要がある。したがって、製造における工作精度、組立て精度を向上させる必要があり、結果としてコストアップに繋がるという問題があった。
【０００５】
本発明はかかる問題点を解決するためになされたもので、光学式絶対値エンコーダを高分解能化した場合もスケール基板と検出部の間隔を広く保つことができ、かつ誤差の少ない高精度な光学式絶対値エンコーダを実現することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る光学式絶対値エンコーダは、１つのアブソリュートデータを生成するアブソリュートデータ生成手段と、それぞれが異なる周期のインクリメンタルデータを生成する複数のインクリメンタルデータ生成手段とを有し、上記インクリメンタルデータ生成手段のうち、データ周期の短いものから少なくとも２つのインクリメンタルデータ生成手段は、各々、光源からの光を透過または反射するスケールＡと、上記スケールＡを透過または反射した光を受光素子アレイにより受光する検出部Ａとを備え、上記各スケールＡが第一の移動量Ｌだけ移動した際、各検出部Ａの受光素子アレイ上に生成される光強度分布の各移動量は上記第一の移動量Ｌとは異なるが、上記各移動量は互いに同等であるように構成し、上記少なくとも２つのインクリメンタルデータ生成手段以外のインクリメンタルデータ生成手段、および上記アブソリュートデータ生成手段は、各々、光源からの光を透過または反射するスケールＢと、上記スケールＢを透過または反射した光を受光素子または受光素子アレイにより受光する検出部Ｂとを備え、上記各スケールＢが第一の移動量Ｌだけ移動した際、各検出部Ｂの受光素子または受光素子アレイ上に生成される光強度分布の各移動量は上記第一の移動量Ｌと同等となるように構成し、上記検出部Ａの検出信号と上記検出部Ｂの検出信号とを組み合わせて、絶対位置情報を測定するものである。
【０００７】
また、本発明に係る光学式絶対値エンコーダは、１つのアブソリュートデータを生成するアブソリュートデータ生成手段と、それぞれが異なる周期のインクリメンタルデータを生成する複数のインクリメンタルデータ生成手段とを有し、上記インクリメンタルデータ生成手段のうち、データ周期の短いものから少なくとも２つのインクリメンタルデータ生成手段は、各々、光源からの光を透過または反射するインデックススケールＡと、光源からの光を透過または反射するスケールＡと、上記インデックススケールＡおよび上記スケールＡを透過または反射した光を受光素子アレイにより受光する検出部Ａとを備え、上記各スケールＡが第一の移動量Ｌだけ移動した際、各検出部Ａの受光素子アレイ上に生成される光強度分布の各移動量は上記第一の移動量Ｌとは異なるが、上記各移動量は互いに同等であるように構成し、上記少なくとも２つのインクリメンタルデータ生成手段以外のインクリメンタルデータ生成手段、および上記アブソリュートデータ生成手段は、各々、光源からの光を透過または反射するスケールＢと、上記スケールＢを透過または反射した光を受光素子または受光素子アレイにより受光する検出部Ｂとを備え、上記各スケールＢが第一の移動量Ｌだけ移動した際、各検出部Ｂの受光素子または受光素子アレイ上に生成される光強度分布の各移動量は上記第一の移動量Ｌと同等となるように構成し、上記検出部Ａの検出信号と上記検出部Ｂの検出信号とを組み合わせて、絶対位置情報を測定するものである。
【０００８】
また、本発明に係る光学式絶対値エンコーダは、１つのアブソリュートデータを生成するアブソリュートデータ生成手段と、それぞれが異なる周期のインクリメンタルデータを生成する複数のインクリメンタルデータ生成手段とを有し、上記インクリメンタルデータ生成手段のうち、データ周期の短いものから少なくとも２つのインクリメンタルデータ生成手段は、少なくとも１つの点光源あるいは位置検出方向に発散する線光源を備えると共に、各々、上記点光源あるいは上記線光源からの発散光を透過または反射するスケールＡと、上記スケールＡを透過または反射した光を受光素子アレイにより受光する検出部Ａとを備え、上記各スケールＡが第一の移動量Ｌだけ移動した際、各検出部Ａの受光素子アレイ上に生成される光強度分布の各移動量は上記第一の移動量Ｌとは異なるが、上記各移動量は互いに同等であるように構成し、上記少なくとも２つのインクリメンタルデータ生成手段以外のインクリメンタルデータ生成手段、および上記アブソリュートデータ生成手段は、各々、光源からの光を透過または反射するスケールＢと、上記スケールＢを透過または反射した光を受光素子または受光素子アレイにより受光する検出部Ｂとを備え、上記各スケールＢが第一の移動量Ｌだけ移動した際、各検出部Ｂの受光素子または受光素子アレイ上に生成される光強度分布の各移動量は上記第一の移動量Ｌと同等となるように構成し、上記検出部Ａの検出信号と上記検出部Ｂの検出信号とを組み合わせて、絶対位置情報を測定するものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、インクリメンタル型検出とアブソリュート型検出とを行う光学式絶対値エンコーダにおいて、高分解能化のために格子周期の短いインクリメンタルスケールを採用した場合でも、スケール基板と検出部の間隔を広く保つことが可能であり、該間隔の管理が容易となるため製造における工作、組立てコストが削減できる。
さらに、環境変化などにより検出部などの位置が他部品と相対変動した場合においても周期飛び誤差を防ぎ検出誤差を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
高分解能化が可能で、かつスケール基板と検出部の間隔を広く保つことができる光学式絶対値エンコーダとして、例えば、特開２００３−２７９３８４号公報に示すものがある。  この光学式絶対値エンコーダは、スケール基板上にＭ系列コードを利用したアブソリュートスケールと、該アブソリュートスケールからの位置情報を内挿する第一内挿インクリメンタルスケールと、さらに該第一内挿インクリメンタルスケールからの位置情報を内挿する第二内挿インクリメンタルスケールとを備えた反射型の絶対値エンコーダであり、該第二内挿インクリメンタルスケールには、第二内挿インクリメンタルスケールと同じ周期の格子を発光面付近に備えた光源からの光線が照射され、その反射光は第二内挿インクリメンタルスケールと同じ周期で配置された複数個の受光素子、つまり受光素子アレイにて検出される。第二内挿インクリメンタルスケールの位置情報を検出するこのような構成は、３枚のスケール板を用いた光学式エンコーダとして知られており、特開昭６３−１５３４０８号公報などに開示されている。
【００１１】
上記特開２００３−２７９３８４号公報に示される構成においては、上記３枚のスケール板を用いた測定方法を、データ周期の最も短いスケールにおける位置情報の測定に適用することで、光学式絶対値エンコーダを高分解能化した場合もスケール基板と検出部との間隔を広げることを可能としているが、各スケールにより生成される光強度分布の移動速度が異なるため周期飛び誤差を発生させる可能性を高めてしまうという問題点がある。
【００１２】
すなわち、光源直後に配置した格子と第二内挿インクリメンタルスケールとの間隔と、第二内挿インクリメンタルスケールと第二内挿インクリメンタルスケール読み取り用の受光素子アレイとの間隔とが等しい場合、第二内挿インクリメンタルスケールが光源および受光素子アレイに対してスケール配列方向にＬだけ相対移動すると、受光素子アレイ上に生成された周期的な光強度分布はスケールの移動方向と同方向に２Ｌ移動する。
一方、第一内挿インクリメンタルスケールには反射部と透過部が交互に第二内挿インクリメンタルスケールの周期より大きな周期で備えられており、上記第二内挿インクリメンタルスケールを照射する光源とは別の光源（この光源と第一内挿インクリメンタルスケールとの間に格子は配置されていない）からの略平行光を照射すると、周期的な反射光強度分布が第一内挿インクリメンタルスケール読み取り用の受光素子アレイ上に生成される。このとき、第一内挿インクリメンタルスケールが光源および受光素子アレイに対してＬだけ相対移動すると、受光素子アレイ上に生成される光強度分布はスケールの移動方向と同方向にＬ移動する。
【００１３】
この光強度分布の移動速度の違いが、周期飛び誤差を発生させる可能性を高めてしまい、温度変化による熱膨張あるいは振動など、環境変化により検出部における受光素子の位置が他部品に対して変動した場合、あるいは光源直後に配置した格子の位置が他部品に対し変動した場合に、検出誤差を増大させる。
例えば、受光素子アレイや光源直後に配置した格子などがスケール基板に対して移動していないにも関らず、第二内挿インクリメンタルスケール読み取り用の受光素子アレイのみが保持部材の熱膨張などにより、他部品に対してスケール格子配列方向にＸだけ変動すると検出誤差を発生する。この場合の検出誤差値は、第二内挿インクリメンタルスケールが受光素子アレイおよび光源直後に配置した格子に対し相対的にＸ／２移動した時の値と同じになる。同様に、第一内挿インクリメンタルスケール読み取り用の受光素子アレイのみがスケール格子配列方向にＸだけ変動した場合の検出誤差値は、第一内挿インクリメンタルスケールがＸ移動した時の値と同じなる。つまり、第二内挿インクリメンタルスケール読み取り用の受光素子アレイと第一内挿インクリメンタルスケール読み取り用の受光素子アレイが同様にＸ変動すると、検出誤差値にＸ／２の差が発生する。
【００１４】
ところで、前述のように第二内挿インクリメンタルスケールは第一内挿インクリメンタルスケールからの位置情報を内挿するために設けられており、第二内挿インクリメンタルスケールによる検出値は第一内挿インクリメンタルスケールの検出値１周期内に複数周期繰り返される。従って、第二内挿インクリメンタルスケールによる検出値が何番目の周期からの結果であるかを誤ると、検出誤差が、第二内挿インクリメンタルスケールによる検出値の繰り返し周期の１周期以上となる周期飛び誤差を発生することになる。通常、第二内挿インクリメンタルスケールによる検出値と第一内挿インクリメンタルスケールによる検出値は予め校正することで、正確な内挿が可能となるが、校正後に検出誤差が発生するとこの検出誤差以外に周期飛び誤差が発生する場合がある。この周期飛び誤差は測定結果が突如大きく変化する（飛ぶ）ので、この光学式絶対値エンコーダがステージ制御などに使用される場合、致命的な誤動作を発生させる可能性がある。通常、この周期飛び誤差が発生する条件は、第二内挿インクリメンタルスケールによる検出誤差と第一内挿インクリメンタルスケールの検出誤差の差が、第二内挿インクリメンタルスケールによる検出値の繰り返し周期の半周期を超えることである。
【００１５】
従って、前述の検出誤差値の差が第二内挿インクリメンタルスケールによる検出値の半周期を超えないように管理することが重要となる。
しかしながら、高分解能化が進むと上記第二内挿インクリメンタルスケールによる検出値周期が非常に小さくなり、上述の管理が困難となる。その結果、第二内挿インクリメンタルスケールによる検出値の周期番号を誤り、周期飛び誤差を発生する可能性が大きくなる。
【００１６】
以上のように、本発明は、データ周期の最も短いスケールにおける位置情報の測定に、３枚のスケール板を用いた測定方法を適用することで、光学式絶対値エンコーダを高分解能化した場合もスケール基板と検出部との間隔を広げることができるが、その一方で、周期飛び誤差を発生させる可能性を高めてしまうという問題を明らかにすると共に、この問題を解決する構成を明らかにしたものである。
以下に、本発明の実施の形態を詳細に示す。
【００１７】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による光学式絶対値エンコーダのうち、スケール基板を示す正面図であり、図２は、本発明の実施の形態１による光学式絶対値エンコーダのうち、インデックススケール基板、スケール基板、および検出基板を示す側面図である。本実施の形態以降、リニアタイプの光学式絶対値エンコーダについて説明するが、本発明はこれに限ることなくロータリータイプの光学式絶対値エンコーダにも適用可能である。
【００１８】
図１において、スケール基板１は、例えばガラス基板上にクロム蒸着などで透過開口および非透過部を形成したものであり、この透過開口および非透過部によりオン、オフパターンを形成している。また、スケール基板１上には、測定範囲Ｐ１において１周期分の正弦波状光量変化を受光素子上に生成するよう設計されたアブソリュートスケール２、周期がＰ１のｉ分の１、即ちＰ２に設定されたインクリメンタルスケール３、周期がＰ２のｊ分の１、即ちＰ３に設定されたインクリメンタルスケール４が設けられている。各スケール２、３、４の実線で囲まれた部分が透過部を示し、残りは非透過部であり、透過部の周期方向における巾は周期の半分に設定されている。
【００１９】
図２において、下方から略平行光である光束５がインデックススケール基板６、スケール基板１、検出基板９に向けて照射される。光束５は、ＬＥＤなど空間的にインコヒーレントな光源から発せられた中心波長λの光束である。
スケール基板１はその他の部材６、９に対し、相対的にｘ方向へ移動可能な構造となっている。つまり、スケール基板１、あるいはインデックススケール基板６と検出基板９との組が移動できる機構になっている。
インデックススケール基板６とスケール基板１との間隔Ｚ１、およびスケール基板１と検出基板９との間隔Ｚ２は共にＺに設定されている。このとき、距離Ｚの値は厳密には、インデックススケール基板６上に形成されるスケールとスケール基板１上に形成されるスケールとの間の距離、およびスケール基板１上に形成されるスケールと検出基板９との間の距離であり、各スケール基板１、６の屈折率などを考慮した空気換算長を意図する（これは後述する実施の形態においても同様）。
【００２０】
インデックススケール基板６上には、スケール基板１と同様、例えばガラス基板上にクロム蒸着などで透過開口および非透過部を形成することにより、インクリメンタルスケール３、およびインクリメンタルスケール４に各々対応したインデックススケール７、およびインデックススケール８が備えられており、周期が各々、２×Ｐ２、２×Ｐ３の振幅格子で、透過部の周期方向における巾は周期の半分に設定されている。
【００２１】
検出基板９上には、アブソリュートスケール２、インクリメンタルスケール３、インクリメンタルスケール４を透過した光信号を各々検出し、各々正弦波状信号および余弦波状信号を出力する受光素子１０、受光素子アレイ１１、受光素子アレイ１２が備えられている。受光素子１０には正弦波状信号出力用受光素子および余弦波状信号出力用受光素子が備えられており、それらの出力位相が９０°異なるように配置されている。また、スケール格子配列方向（ｘ方向）の開口巾は出力強度、ＡＣ、ＤＣ比が所望の値になるように設定されている。受光素子アレイ１１、および受光素子アレイ１２にも同様に正弦波状信号出力用受光素子アレイおよび余弦波状信号出力用の受光素子アレイが各々備えられており、それらの格子パターンは、各々インデックススケール７、およびインデックススケール８と同じで、受光素子配列周期は各々、２×Ｐ２、２×Ｐ３となっている。上述の各正弦波状信号と各余弦波状信号とを用いて、それぞれアブソリュートデータおよびインクリメンタルデータを生成する。
【００２２】
なお、検出基板９上にはあるパターンを持った受光素子および受光素子アレイを備えるものを示したが、代わりに該パターンを持った開口をクロム蒸着などで形成したインデックススケール基板とその後段に配置した各信号出力用の受光素子とにより上記受光素子アレイに対応する検出部を構成しても本質的に同様の働きをする。
【００２３】
上述の構成において、アブソリュートスケール２（スケールＢ）と受光素子１０（検出部Ｂ）とにより１つのアブソリュートデータを生成するアブソリュートデータ生成手段を構成し、インデックススケール７（インデックススケールＡ）と、インクリメンタルスケール３（スケールＡ）と、受光素子アレイ１１（検出部Ａ）とにより周期が２番目に短いインクリメンタルデータを生成するインクリメンタルデータ生成手段を構成し、インデックススケール８（インデックススケールＡ）と、インクリメンタルスケール４（スケールＡ）と、受光素子アレイ１２（検出部Ａ）とにより周期の最も短いインクリメンタルデータを生成するインクリメンタルデータ生成手段を構成し、検出部Ａの検出信号と検出部Ｂの検出信号とを組み合わせて、絶対位置情報を測定する。
【００２４】
今、スケール基板１がその他の部材に対し相対的にｘ方向へ移動した場合、周期Ｐ１のアブソリュートデータ、周期Ｐ２のインクリメンタルデータ、周期Ｐ３のインクリメンタルデータを得ることができる。つまり、２つのインクリメンタルデータ生成手段の信号周期は共に受光素子アレイ周期の０．５倍となっている。これは、受光素子アレイ１１、受光素子アレイ１２上に生成される周期２×Ｐ２、２×Ｐ３の正弦波状光量分布が共に、スケール基板１の移動に伴いその移動量の２倍移動することに起因する。つまり、２つのインクリメンタルスケール３、４が第一の移動量Ｌだけ移動した際、各受光素子アレイ１１、１２上に生成される光強度分布の各移動量は第一の移動量Ｌとは異なるが、スケール基板１の移動に対する受光素子アレイ１１、および受光素子アレイ１２上に生成される各光強度分布の移動量（および移動速度）は同じである。
【００２５】
インクリメンタルスケール３、インクリメンタルスケール４の移動量検出には前述した３枚のスケール板を用いた光学式エンコーダの原理が採用されているが、ここで受光素子アレイ１１、受光素子アレイ１２上に正弦波状光量分布を生成する設計法について図３を用いて説明する。
図３において、例えばクロム蒸着などで形成された周期ｓ１の振幅格子を持つスケール１５を備えた第一スケール基板１４には、空間的にインコヒーレントな光源から発せられた中心波長λの光束１３が照射され、後段には距離Ｚ１だけ離れた位置に第二スケール基板１６が、第二スケール基板１６の後段にはさらに距離Ｚ２だけ離れた位置に検出基板１８が配置されている。光束１３は略平行光として図示されているが、これに限らず発散光でも良い。第二スケール基板１６上には例えば周期ｓ２の振幅格子を持つスケール１７が、検出基板１８上には例えば周期ｓ３の受光素子アレイ１９が各々備えられている。図３の構成例において、検出基板１８上に生成される周期的な光強度分布の空間周波数およびそのコントラストは、ＯＴＦ（光学伝達関数：Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を求めることにより知ることができる。つまり、スケール１５上に生成される光強度分布のうちある空間周波数のコントラストに、対応するＯＴＦを掛け合わせたものが、受光素子アレイ１９上に伝達されるある空間周波数の光強度分布のコントラストに相当する。ＯＴＦ（Ｆ（σ３））は、図３中のｘ１軸上に点光源を配置した場合のｘ３軸上における点像振幅分布関数ｈ（ｘ１，ｘ３）の二乗のフーリエ変換で表現できることが知られており、下記の式（１）で表される。
【００２６】
【数１】
2009019876.tif 000003
【００２７】
ここで、σ3（＝１／ｓ３）は、検出基板１８上に生成される光強度分布の空間周波数を示す。点像振幅分布関数ｈ（ｘ1，ｘ3）はスケール１５とスケール１７の間隔Ｚ１、スケール１７と受光素子アレイ１９との間隔Ｚ２、スケール１７の周期ｓ２や位相情報も含んだ透過率分布などで決まる関数である。
なお、図３では、スケール１７を透過部のデューティー比５０％の振幅格子としたが、これに限らずデューティー比５０％以外の振幅格子や位相格子などでも良い。
【００２８】
式（１）を用いて受光素子アレイ１９と同じ周期ｓ３の空間周波数を持つ光強度分布に対するＯＴＦの値を計算し、理論上最大となる条件を求め、１／ｓ３の空間周波数を伝達するために必要な光強度分布をスケール１５上に生成するよう光学式エンコーダを設計すれば良い。このとき、受光素子アレイ１９上に生成される光強度分布のコントラストが最大となり、第一スケール基板１４、あるいは第二スケール基板１６の移動に伴い受光素子アレイ１９から出力される正弦波状信号のＡＣ、ＤＣ比を大きくすることができる。従って、光学式エンコーダの高分解能化、高精度化が可能となる。
【００２９】
ただし、下記式（２）にてＮが１以上の整数となる条件でのみ１／ｓ３の空間周波数に対するＯＴＦは値を持つことになるので、式（２）を満たす条件で設計することが望ましい。実体系においては式（２）の条件を多少外れても検出基板１８上に光強度分布は生成されるので、ある程度の公差は許容される。
【００３０】
【数２】
2009019876.tif 000004
【００３１】
ここで、ｓ１とｓ３の関係を、式（３）のようにすれば、１／ｓ３の空間周波数が受光素子アレイ１９上に伝達される。
【００３２】
【数３】
2009019876.tif 000005
【００３３】
式（１）によると、上記Ｎが１以上の整数となった時のみ、スケール１５に含まれる空間周波数の光強度分布が所定のＯＴＦに従って受光素子アレイ１９に結像される。例えば、図３においてＺ１＝Ｚ２、周期ｓ２で巾ｓ２／２の開口を持った振幅格子をスケール基板１６に備えた場合、Ｎ＝１つまりｓ３＝２×ｓ２＝ｓ１について式（１）計算すると、ＯＴＦ（Ｆ（σ３））の絶対値は式（４）に示すＺ１、Ｚ２の条件で最大値約０．６となる。
【００３４】
【数４】
2009019876.tif 000006
【００３５】
Ｎ＝１、かつ式（２）〜式（４）を満たす条件で設計すれば、受光素子からの正弦波状信号のＡＣ、ＤＣ比が大きな光学式エンコーダを実現できる。例えばｓ２を３０μｍ、λを０．８５μｍ、ｎを１とした場合、Ｚ１、Ｚ２の値は、２１１８μｍとなり、第二スケール基板１６と第一スケール基板１４との間隔、あるいは第二スケール基板１６と検出基板１８との間隔を広く保つことが可能である。
【００３６】
但し、上記数値は一例であって、設計時のｓ１，ｓ２、ｓ３およびＺ１、Ｚ２やλ、Ｎなどのパラメータを、式（１）〜式（３）に従いＯＴＦの値が理論上最大になるよう適当に選定すれば良い。例えば、スケール１７と同様に振幅格子を用い、ｓ１＝ｓ２＝ｓ３、Ｚ１＝Ｚ２、つまりＮ＝２となるような条件の場合は、式（５）に示すＺ１、Ｚ２の条件でＯＴＦの絶対値は最大となり約０．３となる。
【００３７】
【数５】
2009019876.tif 000007
【００３８】
また、ここではスケール１７を振幅格子としたが、前述したとおりこれに限らず位相格子などでも良い。例えば、光路長差λ／２（位相差π）を発生させる段差およびデューティ比５０％の凹凸形状を持った位相格子を用い、ｓ１＝ｓ２＝ｓ３、Ｚ１＝Ｚ２、つまりＮ＝２となるような条件の場合も式（５）に示すＺ１、Ｚ２の条件でＯＴＦの絶対値は最大となり、その値は約０．６となる。
あるいは、光路長差λ／４（位相差π／２）を発生させる段差およびデューティ比５０％の凹凸形状を持った位相格子を用い、ｓ１＝２×ｓ２＝ｓ３、Ｚ１＝Ｚ２、つまりＮ＝１となるような条件の場合は、式（６）に示すＺ１、Ｚ２の条件でＯＴＦの絶対値は最大となりその値は約０．６となる。
【００３９】
【数６】
2009019876.tif 000008
【００４０】
さらに、スケール１５を振幅格子としたが、周期ｓ１の二次光源分布を生成するような位相格子やレンズアレイなどでも良い。スケール１５上に生成される光強度分布には伝達したい空間周波数のみ含まれる、あるいは伝達したくない空間周波数成分があったとしてもこの不要な空間周波数に対するＯＴＦ値は０に近いことが望ましく、このことを実現するような第一スケール基板を設計すれば良い。
また、上記例では、全てＺ１＝Ｚ２としたが、これに限るものではない。
【００４１】
次にスケールの移動に伴う受光素子アレイ１９上の光強度分布の移動量について説明する。
スケール１５上に生成される二次光源分布は、上述のとおりＺ１とＺ２の比で決まる拡大率にて受光素子アレイ１９上に結像されるが、受光素子アレイ１９上の光強度分布の移動量もＺ１とＺ２の関係により求まる。第二スケール基板１６が他部材に対しｘだけ移動した場合の受光素子アレイ１９上に生成された光強度分布の移動量ｄは、式（７）のように書ける。
【００４２】
【数７】
2009019876.tif 000009
【００４３】
例えばＺ１＝Ｚ２のとき、第二スケール基板１６の移動に伴う受光素子アレイ１９上の光強度分布の移動量はその２倍となる。
【００４４】
第一スケール基板１４が他部材に対しｘだけ移動した場合は、受光素子アレイ１９上に生成された光強度分布の移動量ｄは式（８）のように書ける。
【００４５】
【数８】
2009019876.tif 000010
【００４６】
例えばＺ１＝Ｚ２のとき、第一スケール基板１４の移動に伴う受光素子アレイ１９上の光強度分布の移動量は同じであるが、その方向は、、第一スケール基板１４の移動方向とは逆となる。
【００４７】
さて、図１、図２の構成において、インクリメンタルスケール３、インクリメンタルスケール４は、各々周期Ｐ２、Ｐ３の振幅格子で、透過部と非透過部のｘ方向における巾は等しい。また、インクリメンタルスケール３およびインクリメンタルスケール４とインデックススケール７およびインデックススケール８との間隔、インクリメンタルスケール３およびインクリメンタルスケール４と受光素子アレイ１１および受光素子アレイ１２との間隔は共にＺに設定されている。この条件において、受光素子アレイ１１および受光素子アレイ１２の基本周波数、つまり１／（２×Ｐ２）および１／（２×Ｐ３）に対するＯＴＦを、インクリメンタルスケール３およびインクリメンタルスケール４に関し式（１）を用いて各々計算すると、図４に示す結果が得られる。ここで、Ｐ２とＰ３の関係は、一例として式（９）のとおり設定している。
【００４８】
【数９】
2009019876.tif 000011
【００４９】
図４において、縦軸はＯＴＦの値であり、横軸は距離Ｚ（＝Ｚ１＝Ｚ２）を、波長λとインクリメンタルスケール４のピッチＰ３で決定される位置Ｔ（＝（Ｐ３）2／λ）で式（１０）のように規格化したＺ’の値である。
【００５０】
【数１０】
2009019876.tif 000012
【００５１】
空間周波数１／（２×Ｐ２）、１／（２×Ｐ３）に対するＯＴＦ曲線は共に余弦波曲線となっており、点線で示す曲線（空間周波数１／（２×Ｐ２））の場合は、式（４）のｓ２にＰ２（＝５×Ｐ３）を代入した位置で最大となり、実線で示す曲線（空間周波数１／（２×Ｐ３））の場合は、式（４）のｓ２にＰ３を代入した位置で最大となる。その最大値は約０．６である。ＯＴＦの値が負になる場合があるが、これは検出基板９上に生成される光強度分布の位相（周期方向の位置）が、ＯＴＦが正の場合から１／２周期異なることを意味しており、伝達される光強度分布のコントラストの値はＯＴＦの絶対値が同じであれば同じにある。従って、本発明におけるＯＴＦの最大値とはＯＴＦの絶対値が最大となる値を意味するものとする。
【００５２】
光学式絶対値エンコーダの性能、例えば分解能、検出精度を向上するには受光素子アレイ１１および受光素子アレイ１２上に生成される２つの光強度分布のコントラストが共に高いことが望ましく、そのようなＺを選び設計することが好ましい。当然、アブソリュートスケール２により受光素子１０上に生成された光強度分布のコントラストも高いことが望まれるが、略平行光束をスケールに照射し、その透過光あるいは反射光の分布を測定する場合、スケールのパターン周期が長ければ、光強度分布のコントラストはＺが離れても通常高く維持することができ、インクリメンタルスケール３およびインクリメンタルスケール４による光強度分布のコントラストの管理ほど注意する必要はない。従って、本実施の形態の場合もインクリメンタルスケール３およびインクリメンタルスケール４による光強度分布のコントラストを高くするようなＺの設定を行う。
【００５３】
例えば、Ｚ’＝２となるＺを設定すれば、受光素子アレイ１２上に生成される光強度分布の基本周波数（１／（２×Ｐ３））に対するＯＴＦは理論上最大となり、かつ受光素子アレイ１１上に生成される光強度分布の基本周波数（１／（２×Ｐ２））に対するＯＴＦはその最大値から僅かに低下するのみである。具体的には最大値から約１％劣化するのみである。この劣化係数は式（９）による周期の倍数で決まるが、Ｐ２がＰ３に対しさらに長くなれば、その劣化係数は小さくなる。
例えば、Ｐ３が３０μｍ（このときＰ２は１５０μｍ）、λが０．８５μｍの場合、Ｚは２１１８μｍとなり、Ｚの管理が容易となる。また、組立て誤差、振動などにより例えばＺの値が３００μｍ変動したとしても受光素子アレイ１２上に生成される光強度分布のＯＴＦ低下は約１０％に抑制することができ、このようなＺを設定することが望ましい。
【００５４】
アブソリュートスケール２により受光素子１０上に生成される光強度分布の周期（＝Ｐ１）は、Ｐ２よりも大きく設定され、例えば１０００μｍとする。受光素子アレイ１１および受光素子アレイ１２上に各々生成される光強度分布の周期は、式（３）より各々３００μｍ、６０μｍとなる。
【００５５】
上述の例の場合、スケール基板１が例えば３０μｍ移動した場合、受光素子１０、受光素子アレイ１１、受光素子アレイ１２上に各々生成される光強度分布の移動量は、受光素子１０上にて３０μｍ、受光素子アレイ１１上、受光素子アレイ１２上においては式（７）に従い６０μｍとなる。スケール基板１の移動に対する受光素子１０、受光素子アレイ１１、および受光素子アレイ１２から出力される信号周期は、各々１０００μｍ、１５０μｍ、３０μｍとなる。
【００５６】
上記例にて、保持部材の熱膨張などにより検出基板９の位置が変化した場合を考える。例えばその検出基板９が他部品に対し、ｘ方向に−３０μｍ移動した場合、受光素子アレイ１１、受光素子アレイ１２による検出誤差は、上記式（７）より１５μｍ発生する。一方、受光素子１０による検出誤差は３０μｍである。このように、本実施の形態の光学式絶対値エンコーダは３枚のスケール板を用いた光学式エンコーダの原理を採用しているので検出誤差自身を小さくする効果を有する。
【００５７】
さらに、本実施の形態の光学式絶対値エンコーダでは、データ周期の短いものから２つのインクリメンタルデータ生成手段に上記３枚のスケール板を用いた光学式エンコーダの原理を採用しているので周期飛び誤差を抑制することができる。以下に、本実施の形態の周期飛び誤差に関して説明する。
【００５８】
本発明による光学式絶対値エンコーダは周期の異なる複数のスケールを組合せることで、アブソリュートデータをアブソリュートデータより短い周期の複数のインクリメンタルデータにより内挿し、アブソリュート検出の高分解能化を実現するものであり、ある周期を持ったインクリメンタルスケールにより周期的に変化するインクリメンタルデータが、次に長い周期を持つ上位のインクリメンタルデータあるいはアブソリュートデータ１周期内の何番目の周期であるかを判断することで、上位のインクリメンタルデータあるいはアブソリュートデータを内挿する。通常、初期校正にて上位のインクリメンタルデータあるいはアブソリュートデータの値と下位のインクリメンタルデータの周期番号が対応付けされている。もし、何らかの原因で、上位と下位データが誤差を持ち上記周期番号を誤ると、下位のインクリメンタルデータ１周期以上の検出誤差、つまり周期飛び誤差を発生することになる。通常、上記周期飛び誤差が発生する条件は、下位のインクリメンタルスケールによる検出誤差と上位のインクリメンタルスケールあるいはアブソリュートスケールの検出誤差の差が、下位インクリメンタルスケールによる検出値の繰り返し周期の半周期を超えることである。ただし、下位のインクリメンタルデータと上位のインクリメンタルデータあるいはアブソリュートデータとの合成方法によってはこの限りではない。
上述の保持部材の熱膨張による誤差の例では、受光素子アレイ１１、受光素子アレイ１２による検出誤差の差は０となり、上記周期とび誤差は発生しない。一方、受光素子アレイ１１による検出誤差と受光素子１０による検出誤差の差は１５μｍ発生する。しかし、その値は受光素子アレイ１１による検出周期１５０μｍの１／１０であり、周期飛び誤差は発生しない。
もし、本実施の形態における検出周期１５０μｍのインクリメンタルデータ生成手段の代わりに、従来技術と同様に、略平行光束をインデックススケール７を介さず直接、インクリメンタルスケール３に照射し、その透過光あるいは反射光の分布を受光素子アレイ１１で測定する場合、検出誤差は３０μｍ発生する。従って、受光素子アレイ１２による検出誤差（１５μｍ）との差は１５μｍとなり、この値は受光素子アレイ１２による検出周期３０μｍの１／２であるため周期飛び誤差が発生してしまう。
【００５９】
なお、上記実施の形態では、検出基板９が保持部材の熱膨張でｘ方向に移動した場合について述べたが、インデックススケール基板６が他部品に対して相対移動した場合など、ある光学部品が他の光学部品に対して本来の測定とは異なる相対移動をした場合も上述と同様に考えることができ、同様の効果がある。
【００６０】
以上のように、本実施の形態では、データ周期の短いものから２つのインクリメンタルデータ生成手段に３枚のスケール板を用いた光学式エンコーダの原理を採用しているので、スケール基板と検出部との間隔を広く保つことが可能であり、該間隔の管理が容易となるため、製造における工作、組立てコストが削減できる。
また、温度変化による熱膨張あるいは振動などにより検出部を構成する受光素子アレイや受光素子、あるいは受光素子アレイを構成するインデックススケール基板などの位置が他部品と相対変動した場合においても周期飛び誤差を防ぎ検出誤差を抑制できる。
さらに、受光素子アレイ上に生成される光強度分布のうち基本空間周波数を持つ光強度分布のコントラストが最大、あるいは略最大になるように、インクリメンタルスケールとインデックススケールとの距離、およびインクリメンタルスケールと受光素子アレイとの距離を設定しているので、スケール基板上の各スケールによる検出信号のＡＣ、ＤＣ比が大きく、かつスケール基板と検出部との間隔などが変動した場合でも該ＡＣ、ＤＣ比低下を少なくでき、高分解能、高精度な光学式絶対値エンコーダを実現できる。
【００６１】
なお、上記実施の形態では、インデックススケール基板６とスケール基板１との間隔Ｚ１と、スケール基板１と検出基板９との間隔Ｚ２とを等しくし（Ｚ１＝Ｚ２＝Ｚ）、Ｎ＝１の条件で設計した場合を述べたが、これに限ることはなく、Ｐ２、Ｐ３、Ｚ１、Ｚ２、λ、Ｎなどのパラメータを（１）〜式（３）に従いＯＴＦの値が略最大になるよう適当に選定すれば良い。
【００６２】
また、上記実施の形態では、Ｚ（＝Ｚ１＝Ｚ２）はＺ’＝２となるように設定したが、複数のインクリメンタルスケールに対する各ＯＴＦの値が略最大になるよう設定すれば良い。
【００６３】
また、上記実施の形態では、アブソリュートデータ生成手段として、測定範囲Ｐ１において１周期分の正弦波状光量変化を受光素子上に生成するよう設計されたアブソリュートスケール２を用い、アナログ信号を生成したが、例えばＭ系列データのようなデジタル信号生成用のアブソリュートスケールを用いても良い。
【００６４】
さらに、上記実施の形態では、１つのアブソリュートデータ生成手段と２つのインクリメンタルデータ生成手段とを用い、上記２つのインクリメンタルデータ生成手段に３枚のスケール板を用いた光学式エンコーダの原理を採用する構成としたが、これに限ることなく、バーニアコードのような複数本のスケールによるアブソリュートデータ生成手段や、３つ以上のインクリメンタルデータ生成手段を用いても良い。３つ以上のインクリメンタルデータ生成手段を用いる場合、データ周期の短いものから少なくとも２つ以上のインクリメンタルデータ生成手段に対し、上述の３枚のスケール板を用いた光学式エンコーダの原理を採用するとよい。データ周期の短いものから２つ目のインクリメンタルデータ生成手段と３つ目のインクリメンタルデータ生成手段との間に上述の周期飛び誤差が懸念されない場合は、３つ以上のインクリメンタルデータ生成手段のうち、データ周期の短いものから２つのインクリメンタルデータ生成手段に対してのみ、３枚のスケール板を用いた光学式エンコーダの原理を採用すれば良い。
あるいは、アブソリュートデータ生成手段および全てのインクリメンタルデータ生成手段に３枚のスケール板を用いた光学式エンコーダの原理を採用しても良い。この場合は、各データ生成手段間の上述検出誤差の差はほぼ０となる。
【００６５】
また、光束５を略平行としたが、十分な受光素子上の光量が得られ、スケール透過光同士のクロストークがないなど、性能上問題ない設計が可能であれば、これに限ることなく発散光でも良い。
【００６６】
さらに、上記実施の形態ではインクリメンタルスケール３、インクリメンタルスケール４に振幅格子を用いたが、位相格子を用いても良い。あるいは振幅格子のインクリメンタルスケールと位相格子のインクリメンタルスケールを組み合わせても良い。この際も、上述の設計方法により複数のインクリメンタルスケールに対する各ＯＴＦの値が略最大になるよう設定すれば良い。
【００６７】
実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２に係る反射式の光学式絶対値エンコーダのうち、インデックススケール基板、スケール基板、検出基板を示す斜視図である。
図５において、略平行光である光束２０がインデックススケール基板２１に向けて照射される。インデックススケール基板２１を透過した光束２０はスケール基板２５で反射して検出基板２９に入射する。インデックススケール基板２１と検出基板２９とは好ましくは同一の筐体に納められており、スケール基板２５に対し相対的にｘ方向へ移動可能な構造となっている。
インデックススケール基板２１には開口２２、透過型の振幅格子であるインデックススケール２３、インデックススケール２４が備えられており、インデックススケール２３、インデックススケール２４の周期は各々２×Ｐ２、２×Ｐ３に設定されている。上記振幅格子における透過部の周期方向における巾は周期の半分に設定されている。
【００６８】
スケール基板２５は、例えばガラス基板上にアルミ蒸着などで反射部および非反射部を形成したものであり、この反射部および非反射部によりオン、オフパターンを形成している。また、スケール基板２５上には、測定範囲Ｐ１において１周期分の正弦波状光量変化を受光素子上に生成するよう設計されたアブソリュートスケール２６、周期がＰ２に設定されたインクリメンタルスケール２７、周期が２×Ｐ３に設定されたインクリメンタルスケール２８が備えられている。各スケールの実線で囲まれた部分（グレー部）が反射部を示し、残りは非反射部である。アブソリュートスケール２６における反射部のパターンは、例えば各反射部の巾が一定でパターン周期がｘ方向の位置によって変化するよう設計され、結果として検出基板２９に向かう反射光量が正弦波状に変化する。インクリメンタルスケール２７、インクリメンタルスケール２８においては、周期は一定で反射部の周期方向における巾は周期の半分に設定されている。
【００６９】
検出基板２９はインデックススケール基板２１の開口面と同一面に配置され、適当な開口巾を設けた受光素子３０、受光素子配列周期が２×Ｐ２に設定された受光素子アレイ３１、受光素子配列周期が２×Ｐ３に設定された受光素子アレイ３２が各々設けられている。
インデックススケール基板２１とスケール基板２５とのｚ方向の間隔、および検出基板２９とスケール基板２５とのｚ方向の間隔はＺに設定されている。
なお、本来は検出基板２９上に各スケールに対応して正弦波状信号出力用、および余弦波状信号出力用の受光素子が備えられるが、ここでは簡潔に説明するため、正弦波状信号出力用の受光素子のみ記載している。
【００７０】
上述の構成において、アブソリュートスケール２６（スケールＢ）と受光素子３０（検出部Ｂ）とにより１つのアブソリュートデータを生成するアブソリュートデータ生成手段を構成し、インデックススケール２３（インデックススケールＡ）と、インクリメンタルスケール２７（スケールＡ）と、受光素子アレイ３１（検出部Ａ）とにより周期が２番目に短いインクリメンタルデータを生成するインクリメンタルデータ生成手段を構成し、インデックススケール２４（インデックススケールＡ）と、インクリメンタルスケール２８（スケールＡ）と、受光素子アレイ３２（検出部Ａ）とにより周期の最も短いインクリメンタルデータを生成するインクリメンタルデータ生成手段を構成し、検出部Ａの検出信号と検出部Ｂの検出信号とを組み合わせて、絶対位置情報を測定する。
【００７１】
本実施の形態の構成によれば、式（２）よりインクリメンタルスケール２７対してはＮ＝１の条件となり、インクリメンタルスケール２８に対してはＮ＝２の条件となる。これらの条件にて前述の実施の形態１と同様に、式（１）〜式（３）に従いＯＴＦの値が理論上最大となるよう光学式絶対値エンコーダを構成すれば良い。
【００７２】
図５の構成において、受光素子アレイ３１、受光素子アレイ３２の各周期、つまり２×Ｐ２、２×Ｐ３に相当する空間周波数に対してＯＴＦを式（１）を用いて各々計算すると、図６に示す結果が得られる。ここで、Ｐ２とＰ３の関係は実施の形態１と同様に式（９）のとおり設定している。
【００７３】
図６において、縦軸はＯＴＦの値であり、横軸は距離Ｚを、波長λとインクリメンタルスケール２８のピッチ２×Ｐ３で決定される位置Ｔ２（＝（２×Ｐ３）2／λ）で式（１１）のように規格化したＺ’’の値である。
【００７４】
【数１１】
2009019876.tif 000013
【００７５】
図６において、空間周波数１／（２×Ｐ２）に対するＯＴＦ曲線は余弦波曲線となっており、式（４）のｓ２にＰ２（＝５×Ｐ３）を代入した位置で最大値約０．６となる。一方、空間周波数１／（２×Ｐ３）に対するＯＴＦ曲線は正弦波の絶対値を示した曲線となっており、式（５）のｓ２に２×Ｐ３を代入した位置で最大値約０．３となる。
【００７６】
例えば、Ｚ’’＝０．２５となるＺを設定すれば、受光素子アレイ３２上に生成される光強度分布の基本周波数（１／（２×Ｐ３））に対するＯＴＦは理論上最大となり、かつ受光素子アレイ３１上に生成される光強度分布の基本周波数（１／（２×Ｐ２））に対するＯＴＦはその最大値から僅かに低下するのみである。具体的には最大値から約０．２％劣化するのみである。この劣化係数は式（９）による周期の倍数で決まるが、Ｐ２がＰ３に対しさらに長くなれば、その劣化係数はさらに小さくなる。
例えば、Ｐ３が３０μｍ（このときＰ２は１５０μｍ）、λが０．８５μｍの場合、Ｚは１０５９μｍとなる。また、組立て誤差、振動などにより例えばＺの値が３００μｍ変動したとしても受光素子アレイ３２上に生成される光強度分布のＯＴＦ低下は約１０％に抑制することができ、このようなＺを設定することが望ましい。
【００７７】
アブソリュートスケール２６により受光素子３０上に生成される光強度分布の周期（＝Ｐ１）は、Ｐ２よりも大きく設定され、例えば１０００μｍとする。受光素子アレイ３１、受光素子アレイ３２上に各々生成される光強度分布の周期は、式（３）より各々３００μｍ、６０μｍとなる。
【００７８】
上述の例の場合、スケール基板２５が他部品に対し、例えば３０μｍ相対移動した場合、受光素子３０、受光素子アレイ３１、受光素子アレイ３２上に各々生成される光強度分布の移動量は、受光素子１０上にて３０μｍ、受光素子アレイ３１上、受光素子アレイ３２上においては式（７）に示すとおり６０μｍとなる。スケール基板２５の移動に対する受光素子３０、受光素子アレイ３１、および受光素子アレイ３２から出力される信号周期は、各々Ｐ１（＝１０００μｍ）、Ｐ２（＝１５０μｍ）、Ｐ３（＝３０μｍ）となる。
【００７９】
上記例にて、保持部材の熱膨張などにより例えば検出基板２９が他部品に対し、ｘ方向に−３０μｍ移動した場合、受光素子アレイ３１、受光素子アレイ３２による検出誤差は、上記式（７）より１５μｍ発生する。一方、受光素子３０による検出誤差は３０μｍである。
従って、受光素子アレイ３１、受光素子アレイ３２による検出誤差の差は実施の形態１と同様０となり、周期飛び誤差は発生しない。一方、受光素子アレイ３１による検出誤差と受光素子３０による検出誤差の差は実施の形態１と同様１５μｍ発生する。しかし、その値は受光素子アレイ３１による検出周期１５０μｍの１／１０であり、周期飛び誤差は発生しない。
【００８０】
なお、上記実施の形態では、検出基板２９が保持部材の熱膨張でｘ方向に移動した場合について述べたが、インデックススケール基板２１が他部品に対して相対移動した場合など、ある光学部品が他の光学部品に対して本来の測定とは異なる相対移動をした場合も上述と同様に考えることができ、同様の効果がある。
【００８１】
以上のように、本実施の形態のような構成にすることで、実施の形態１と同様の効果があると共に、さらに、反射式スケールを用いることで、光学式絶対値エンコーダの小型化が可能となる。
【００８２】
なお、上記実施の形態では、インデックススケール基板２１とスケール基板２５との間隔Ｚと、スケール基板２５と検出基板２９との間隔Ｚとを等しくし、Ｎ＝１とＮ＝２の条件で設計した場合を述べたが、これに限ることはなく、Ｐ２、Ｐ３、Ｚ、λ、Ｎなどのパラメータを（１）〜式（３）に従いＯＴＦの値が略最大になるよう適当に選定すれば良い。
【００８３】
また、上記実施の形態では、ＺはＺ’’＝０．２５となるように設定したが、複数のインクリメンタルスケールに対する各ＯＴＦの値が略最大になるよう設定すれば良い。
【００８４】
また、上記実施の形態では、アブソリュートデータ生成手段として、測定範囲Ｐ１において１周期分の正弦波状光量変化を受光素子上に生成するよう設計されたアブソリュートスケール２６を用い、アナログ信号を生成したが、例えばＭ系列データのようなデジタル信号生成用のアブソリュートスケールを用いても良い。
【００８５】
さらに、上記実施の形態では、１つのアブソリュートデータ生成手段と２つのインクリメンタルデータ生成手段とを用い、上記２つのインクリメンタルデータ生成手段に３枚のスケール板を用いた光学式エンコーダの原理を採用する構成としたが、これに限ることなく、バーニアコードのような複数本のスケールによるアブソリュートデータ生成手段や、３つ以上のインクリメンタルデータ生成手段を用いても良い。３つ以上のインクリメンタルデータ生成手段を用いる場合、データ周期の短いものから少なくとも２つ以上のインクリメンタルデータ生成手段に対し、上述の３枚のスケール板を用いた光学式エンコーダの原理を採用するとよい。データ周期の短いものから２つ目のインクリメンタルデータ生成手段と３つ目のインクリメンタルデータ生成手段との間に上述の周期飛び誤差が懸念されない場合は、３つ以上のインクリメンタルデータ生成手段のうち、データ周期の短いものから２つのインクリメンタルデータ生成手段に対してのみ、３枚のスケール板を用いた光学式エンコーダの原理を採用すれば良い。
あるいは、アブソリュートデータ生成手段および全てのインクリメンタルデータ生成手段に３枚のスケール板を用いた光学式エンコーダの原理を採用しても良い。この場合は、各データ生成手段間の上述検出誤差の差はほぼ０となる。
【００８６】
また、光束２０を略平行としたが、十分な受光素子上の光量が得られ、スケール反射光同士のクロストークがないなど、性能上問題ない設計が可能であれば、これに限ることなく発散光でも良い。
【００８７】
さらに、本実施の形態ではインクリメンタルスケール２７、インクリメンタルスケール２８に振幅格子を用いたが、位相格子を用いても良い。あるいは振幅格子のインクリメンタルスケールと位相格子のインクリメンタルスケールを組み合わせても良い。この際も、上述設計方法により複数のインクリメンタルスケールに対する各ＯＴＦの値が略最大になるよう設定すれば良い。
【００８８】
実施の形態３．
図７は、本発明の実施の形態３による光学式絶対値エンコーダのうち、インデックススケール基板、スケール基板、および検出基板の構成、並びにａ面上の光強度分布を示す図である。図７（ａ）は側面図、図７（ｂ）は図７（ａ）のＡ−Ａ線での断面図、図７（ｃ）は図７（ａ）のＢ−Ｂ線での断面図、図７（ｄ）は図７（ｂ）に示すａ面上での光強度分布を示す図である。
図７（ａ）〜図７（ｃ）において、下方から略平行光である光束５がインデックススケール基板３４、スケール基板１、検出基板３７に向けて照射される。光束５は、ＬＥＤなど空間的にインコヒーレントな光源から発せられた中心波長λの光束である。
【００８９】
スケール基板１には透過開口、非透過部によるオン、オフパターンを備えており、実施の形態１と同様に、測定範囲Ｐ１において１周期分の正弦波状光量変化を受光素子上に生成するよう設計されたアブソリュートスケール２、周期がＰ２に設定されたインクリメンタルスケール３、周期がＰ３に設定されたインクリメンタルスケール４が備えられている。スケール基板１はその他の部材に対し相対的にｘ方向へ移動可能な構造となっている。
本実施の形態では、式（２）にてＮ＝１の構成でインクリメンタルスケール３、インクリメンタルスケール４による信号が検出される。
【００９０】
透明部材で作製されたインデックススケール基板３４上には、インクリメンタルスケール３、インクリメンタルスケール４に各々対応したシリンドリカルレンズアレイ３５、シリンドリカルレンズアレイ３６が備えられており、各々、シリンドリカルレンズ素子が周期（１＋Ｚ３／Ｚ）×Ｐ２、２×Ｐ３で配置されている。
ここで、Ｚはシリンドリカルレンズアレイ３６の焦点位置（ｂ面）とスケール基板１との間隔、およびスケール基板１と検出基板３７との間隔であり、Ｚ３はシリンドリカルレンズアレイ３５の焦点位置（ａ面）とスケール基板１との間隔である。
このとき、シリンドリカルレンズアレイ３５はａ面上に焦点を持ち、図７（ｄ）のように周期（１＋Ｚ３／Ｚ）×Ｐ２の正弦波状の光強度分布が生成される。同様に、シリンドリカルレンズアレイ３６はｂ面上に焦点を持ち、周期２×Ｐ３の正弦波状の光強度分布が生成される。
このようにシリンドリカルレンズアレイ３５、３６は実施の形態１および実施の形態２に示したインデックススケールと同等の働きをするが、振幅格子のような光の遮光部がないので光量透過率を高くでき、焦点位置からの光の発散角度も任意に設定できる。
【００９１】
検出基板３７上には、実施の形態１と同様、アブソリュートスケール２、インクリメンタルスケール３、インクリメンタルスケール４を透過した光信号を各々検出し、各々正弦波状信号、余弦波状信号を出力する受光素子３８、受光素子アレイ３９、受光素子アレイ４０が備えられている。受光素子アレイ３９、受光素子アレイ４０の受光素子配列周期は各々（１＋Ｚ／Ｚ３）×Ｐ２、２×Ｐ３となっている。
【００９２】
上述の構成により、スケール基板１がその他の部材に対し相対的にｘ方向へ移動した場合、周期Ｐ１のアブソリュートデータ、周期Ｐ２のインクリメンタルデータ、周期Ｐ３のインクリメンタルデータを得ることができる。つまり、周期Ｐ２、周期Ｐ３のインクリメンタルデータ生成手段の信号周期は、各々受光素子アレイ周期のＺ３／（Ｚ＋Ｚ３）倍、Ｚ／（Ｚ＋Ｚ）倍（０．５倍）となっている。これは式（７）に示すとおり、受光素子アレイ３９、受光素子アレイ４０上に生成される周期（１＋Ｚ／Ｚ３）×Ｐ２、２×Ｐ３の正弦波状光量分布が、各々スケール基板１の移動に伴いその移動量の（Ｚ＋Ｚ３）／Ｚ３倍、（Ｚ＋Ｚ）／Ｚ倍（２倍）移動することに起因する。このとき、スケール基板１の移動に対する受光素子アレイ３９、受光素子アレイ４０上に生成される光強度分布の移動速度は、上述の実施の形態１および実施の形態２と異なり差を持っているが、各パラメータを適当に設定すれば従来技術のような周期飛び誤差を防止することができる。
【００９３】
例えば、Ｐ３が３０μｍ、Ｐ２が１５０μｍ、λが０．８５μｍ、Ｚ＝２１１８μｍ、Ｚ３＝１６１８μｍの場合、実施の形態１と同様に、受光素子アレイ４０上に生成される光強度分布の基本周波数（１／（２×Ｐ３））に対するＯＴＦは理論上最大（約０．６）となり、かつ受光素子アレイ３９上に生成される光強度分布のＯＴＦを式（１）より求めると、その値は最大値（約０．６）から僅かに低下するのみである。具体的には最大値から約１％劣化するのみである。また、組立て誤差、振動などにより例えばＺの値が３００μｍ変動したとしても受光素子アレイ４０上に生成される光強度分布のＯＴＦ低下は約１０％に抑制することができ、このようなＺを設定することが望ましい。
【００９４】
アブソリュートスケール２により受光素子３８上に生成される光強度分布の周期（＝Ｐ１）は、Ｐ２よりも大きく設定され、例えば１０００μｍとする。受光素子アレイ３９、受光素子アレイ４０上に各々生成される光強度分布の周期は、式（３）より各々３４６μｍ、６０μｍとなる。
【００９５】
上述の例の場合、スケール基板１が他部品に対し、例えば３０μｍ相対移動した場合、受光素子３８、受光素子アレイ３９、受光素子アレイ４０上に各々生成される光強度分布の移動量は、受光素子３８上にて３０μｍ、受光素子アレイ３９上においては式（７）のとおり約６９μｍ、受光素子アレイ４０上においては６０μｍとなる。スケール基板１の移動に対する受光素子３８、受光素子アレイ３９、受光素子アレイ４０から出力される信号周期は、各々１０００μｍ、１５０μｍ、３０μｍとなる。
【００９６】
上記例にて、保持部材の熱膨張などにより例えば検出基板３７が他部品に対し、ｘ方向に−３０μｍ移動した場合、受光素子アレイ３９による検出誤差は、上記式（７）より約１３μｍ発生し、受光素子アレイ４０による検出誤差は１５μｍ発生する。一方、受光素子３８による検出誤差は３０μｍである。
従って、受光素子アレイ３９、受光素子アレイ４０による検出誤差の差は２μｍとなるが、この値は受光素子アレイ４０による検出周期３０μｍの１／１５であり、前述した周期飛び誤差は発生しない。一方、受光素子アレイ３９による検出誤差と受光素子３８による検出誤差の差は実施の形態１と同様１７μｍ発生する。しかし、その値は受光素子アレイ３９による検出周期１５０μｍの約１／９であり、やはり周期飛び誤差は発生しない。
【００９７】
なお、上記実施の形態では、検出基板３７が保持部材の熱膨張でｘ方向に移動した場合について述べたが、インデックススケール基板３４が他部品に対して相対移動した場合など、ある光学部品が他の光学部品に対して本来の測定とは異なる相対移動をした場合も上述と同様に考えることができ、同様の効果がある。
【００９８】
以上のように、本実施の形態のような構成にすることで、実施の形態１と同様の効果があると共に、さらに、インデックススケールとしてシリンドリカルレンズアレイを用いることで、受光素子上の検出光量を増加でき、高分解能、高精度な光学式絶対値エンコーダを実現できる。
【００９９】
なお、上記実施の形態では、Ｐ２＝１５０μｍ、Ｐ３＝３０μｍ、λ＝０．８５μｍ、Ｚ＝２１１８μｍ、Ｚ３＝１６１８μｍとし、Ｎ＝１の条件で設計した場合を述べたが、これに限ることはなくＰ２、Ｐ３、Ｚ、λ、Ｎなどのパラメータを上記周期飛びが発生しない範囲で（１）〜式（３）に従いＯＴＦの値が略最大になるよう適当に選定すれば良い。
【０１００】
また、上記実施の形態では、Ｚは図４におけるＺ’がＺ’＝２となるように設定したが、複数のインクリメンタルスケールに対する各ＯＴＦの値が略最大になるよう設定すれば良い。
【０１０１】
また、上記実施の形態では、アブソリュートデータ生成手段として、測定範囲Ｐ１において１周期分の正弦波状光量変化を受光素子上に生成するよう設計されたアブソリュートスケール２を用い、アナログ信号を生成したが、例えばＭ系列データのようなデジタル信号生成用のアブソリュートスケールを用いても良い。
【０１０２】
さらに、上記実施の形態では、１つのアブソリュートデータ生成手段と２つのインクリメンタルデータ生成手段とを用い、上記２つのインクリメンタルデータ生成手段に３枚のスケール板を用いた光学式エンコーダの原理を採用する構成としたが、これに限ることなく、バーニアコードのような複数本のスケールによるアブソリュートデータ生成手段や、３つ以上のインクリメンタルデータ生成手段を用いても良い。３つ以上のインクリメンタルデータ生成手段を用いる場合、データ周期の短いものから少なくとも２つ以上のインクリメンタルデータ生成手段に対し、上述の３枚のスケール板を用いた光学式エンコーダの原理を採用するとよい。データ周期の短いものから２つ目のインクリメンタルデータ生成手段と３つ目のインクリメンタルデータ生成手段との間に上述の周期飛び誤差が懸念されない場合は、３つ以上のインクリメンタルデータ生成手段のうち、データ周期の短いものから２つのインクリメンタルデータ生成手段に対してのみ、３枚のスケール板を用いた光学式エンコーダの原理を採用すれば良い。
あるいは、アブソリュートデータ生成手段および全てのインクリメンタルデータ生成手段に３枚のスケール板を用いた光学式エンコーダの原理を採用しても良い。この場合は、各データ生成手段間の上述検出誤差の差はほぼ０となる。
【０１０３】
また、上記実施の形態では、インクリメンタルスケール３、インクリメンタルスケール４に振幅格子を用いたが、位相格子を用いても良い。あるいは振幅格子のインクリメンタルスケールと位相格子のインクリメンタルスケールを組み合わせても良い。この際も、上述の設計方法により複数のインクリメンタルスケールに対する各ＯＴＦの値が略最大になるよう設定すれば良い。
【０１０４】
また、上記実施の形態では、２本のインデックススケールとして、２つのシリンドリカルレンズアレイを備えたが、両方シリンドリカルレンズアレイでなくとも良く、シリンドリカルレンズアレイと例えば振幅格子や位相格子など二次光源分布を生成するスケールとの組合せでも良い。
【０１０５】
実施の形態４．
図８は、本発明の実施の形態４による光学式絶対値エンコーダのうち、スケール基板を示す正面図であり、図９は本発明の実施の形態４による光学式絶対値エンコーダのうち、スケール基板、インデックススケール基板、および検出基板を示す側面図である。
本実施の形態は、図９に示すように、２つのインクリメンタルデータ生成手段は、光源側より、スケール基板、インデックススケール基板、検出基板の順に配列されるものである。
【０１０６】
図８において、スケール基板４１は、例えばガラス基板上にクロム蒸着などで透過開口および非透過部を形成したものであり、この透過開口および非透過部によりオン、オフパターンを形成している。また、スケール基板４１上には、測定範囲Ｐ１において１周期分の正弦波状光量変化を受光素子上に生成するよう設計されたアブソリュートスケール４２、周期が２×Ｐ２に設定されたインクリメンタルスケール４３、周期が２×Ｐ３に設定されたインクリメンタルスケール４４が備えられている。各スケールの実線で囲まれた部分が透過部を示し、残りは非透過部であり、透過部の周期方向における巾は周期の半分に設定されている。
【０１０７】
図９において、下方から略平行光である光束５がスケール基板４１、インデックススケール基板４５、検出基板９に向けて照射される。光束５は、ＬＥＤなど空間的にインコヒーレントな光源から発せられた中心波長λの光束である。
スケール基板４１はその他の部材に対し相対的にｘ方向へ移動可能な構造となっている。スケール基板４１とインデックススケール基板４５との間隔Ｚ１、およびインデックススケール基板４５と検出基板９との間隔Ｚ２は共にＺに設定されている。
【０１０８】
インデックススケール基板４５上には、インクリメンタルスケール４３、インクリメンタルスケール４４に各々対応したインデックススケール４６、インデックススケール４７が備えられており、周期が各々Ｐ２、Ｐ３の振幅格子で透過部の周期方向における巾は周期の半分に設定されている。
【０１０９】
検出基板９上には、アブソリュートスケール４２、インデックススケール４６、インデックススケール４７を透過してきた光信号を各々検出し、各々正弦波状信号、余弦波状信号を出力する受光素子１０、受光素子アレイ１１、受光素子アレイ１２が備えられている。
受光素子アレイ１１、受光素子アレイ１２の受光素子配列周期は各々２×Ｐ２、２×Ｐ３となっている。上述の各正弦波状信号と余弦波状信号を用いてアブソリュートデータおよびインクリメンタルデータを生成する。
【０１１０】
上述の構成において、アブソリュートスケール４２（スケールＢ）と受光素子１０（検出部Ｂ）とにより１つのアブソリュートデータを生成するアブソリュートデータ生成手段を構成し、インクリメンタルスケール４３（スケールＡ）と、インデックススケール４６（インデックススケールＡ）と、受光素子アレイ１１（検出部Ａ）とにより周期が２番目に短いインクリメンタルデータを生成するインクリメンタルデータ生成手段を構成し、インクリメンタルスケール４４（スケールＡ）と、インデックススケール４７（インデックススケールＡ）と、受光素子アレイ１２（検出部Ａ）とにより周期の最も短いインクリメンタルデータを生成するインクリメンタルデータ生成手段を構成し、検出部Ａの検出信号と検出部Ｂの検出信号とを組み合わせて、絶対位置情報を測定する。
【０１１１】
今、スケール基板４１がその他の部材に対し相対的にｘ方向へ移動した場合、周期Ｐ１のアブソリュートデータ、周期２×Ｐ２のインクリメンタルデータ、周期２×Ｐ３のインクリメンタルデータを得ることができる。実施の形態１と異なり、２つのインクリメンタルデータ生成手段の信号周期は共に受光素子アレイ周期の１倍となっている。これは式（８）に従うもので、受光素子アレイ１１、受光素子アレイ１２上に生成される周期２×Ｐ２、２×Ｐ３の正弦波状光量分布が、スケール基板４１の移動に伴いその移動量の−１倍、つまり逆方向に等倍だけ移動することに起因する。従って、スケール基板４１の移動に対する受光素子アレイ１１、受光素子アレイ１２上に生成される光強度分布の移動速度は同じである。
【０１１２】
例えば、Ｐ３が３０μｍ、Ｐ２が１５０μｍ、λが０．８５μｍ、Ｚ＝２１１８μｍの場合、実施の形態１と同様に、受光素子アレイ１２上に生成される光強度分布の基本周波数（１／（２×Ｐ３））に対するＯＴＦは理論上最大（約０．６）となり、かつ受光素子アレイ１１上に生成される光強度分布のＯＴＦは最大値（約０．６）から約１％劣化するのみである。
また、組立て誤差、振動などにより例えばＺの値が３００μｍ変動したとしても受光素子アレイ１２上に生成される光強度分布のＯＴＦ低下は約１０％に抑制することができ、このようなＺを設定することが望ましい。
【０１１３】
アブソリュートスケール４２により受光素子１０上に生成される光強度分布の周期（＝Ｐ１）は、２×Ｐ２よりも大きく設定され、例えば２０００μｍとする。受光素子アレイ１１、受光素子アレイ１２上に各々生成される光強度分布の周期は、式（３）より各々３００μｍ、６０μｍとなる。
【０１１４】
上述の例の場合、スケール基板４１が他部品に対し、例えば３０μｍ相対移動した場合、受光素子１０、受光素子アレイ１１、受光素子アレイ１２上に各々生成される光強度分布の移動量は、受光素子１０上にて３０μｍ、受光素子アレイ１１上においては式（８）のとおり−３０μｍ、受光素子アレイ１２上において−３０μｍとなる。スケール基板４１の移動に対する受光素子１０、受光素子アレイ１１、受光素子アレイ１２から出力される信号周期は、各々２０００μｍ、３００μｍ、６０μｍとなる。
【０１１５】
上記例にて、保持部材の熱膨張などにより例えば検出基板９が他部品に対し、ｘ方向に−３０μｍ移動した場合、受光素子アレイ１１による検出誤差は、上記式（８）より−３０μｍ発生し、受光素子アレイ１２による検出誤差も−３０μｍ発生する。一方、受光素子１０による検出誤差は３０μｍである。
従って、受光素子アレイ１１、受光素子アレイ１２による検出誤差の差は０となり、周期とび誤差は発生しない。一方、受光素子アレイ１１による検出誤差と受光素子１０による検出誤差の差は６０μｍ発生する。しかし、その値は受光素子アレイ１１による検出周期３００μｍの１／５であり、周期飛び誤差は発生しない。
もし、本実施の形態における検出周期３００μｍのインクリメンタルデータ生成手段の代わりに、アブソリュートデータ生成手段と同じく、スケール４３を透過した透過光をインデックススケール４６を介さず、受光素子アレイ１１で測定する場合、検出誤差は３０μｍ発生する。従って、受光素子アレイ１２による検出誤差との差は６０μｍとなり、周期飛び誤差が発生してしまう。
【０１１６】
なお、上記実施の形態では、検出基板９が保持部材の熱膨張でｘ方向に移動した場合について述べたが、インデックススケール基板４５が他部品に対して相対移動した場合など、ある光学部品が他の光学部品に対して本来の測定とは異なる相対移動をした場合も上述と同様に考えることができ、同様の効果がある。
【０１１７】
以上のように、本実施の形態のように、インデックス基板とスケール基板とを入れ替えた構成であっても、実施の形態１と同様の効果がある。
【０１１８】
なお、上記実施の形態では、スケール基板４１とインデックススケール基板４５との間隔Ｚ１と、インデックススケール基板４５と検出基板９との間隔Ｚ２とを等しくし（Ｚ１＝Ｚ２＝Ｚ）、Ｎ＝１の条件で設計した場合を述べたが、これに限ることはなくＰ２、Ｐ３、Ｚ１、Ｚ２、λ、Ｎなどのパラメータを（１）〜式（３）に従いＯＴＦの値が略最大になるよう適当に選定すれば良い。
【０１１９】
また、上記実施の形態では、Ｚ（＝Ｚ１＝Ｚ２）は、図４におけるＺ’＝２となるように設定したが、複数のインクリメンタルスケールに対する各ＯＴＦの値が略最大になるよう設定すれば良い。
【０１２０】
また、上記実施の形態では、アブソリュートデータ生成手段として、測定範囲Ｐ１において１周期分の正弦波状光量変化を受光素子上に生成するよう設計されたアブソリュートスケール４２を用い、アナログ信号を生成したが、例えばＭ系列データのようなデジタル信号生成用のアブソリュートスケールを用いても良い。
【０１２１】
さらに、上記実施の形態では、１つのアブソリュートデータ生成手段と２つのインクリメンタルデータ生成手段とを用い、上記２つのインクリメンタルデータ生成手段に３枚のスケール板を用いた光学式エンコーダの原理を採用する構成としたが、これに限ることなく、バーニアコードのような複数本のスケールによるアブソリュートデータ生成手段や、３つ以上のインクリメンタルデータ生成手段を用いても良い。３つ以上のインクリメンタルデータ生成手段を用いる場合、データ周期の短いものから少なくとも２つ以上のインクリメンタルデータ生成手段に対し、上述の３枚のスケール板を用いた光学式エンコーダの原理を採用するとよい。データ周期の短いものから２つ目のインクリメンタルデータ生成手段と３つ目のインクリメンタルデータ生成手段との間に上述の周期飛び誤差が懸念されない場合は、３つ以上のインクリメンタルデータ生成手段のうち、データ周期の短いものから２つのインクリメンタルデータ生成手段に対してのみ、３枚のスケール板を用いた光学式エンコーダの原理を採用すれば良い。
あるいは、アブソリュートデータ生成手段および全てのインクリメンタルデータ生成手段に３枚のスケール板を用いた光学式エンコーダの原理を採用しても良い。この場合は、各データ生成手段間の上述検出誤差の差はほぼ０となる。
【０１２２】
また、光束５を略平行としたが、十分な受光素子上の光量が得られ、スケール透過光同士のクロストークがないなど、性能上問題ない設計が可能であれば、これに限ることなく発散光でも良い。
【０１２３】
さらに、上記実施の形態ではインデックススケール４６、インデックススケール４７に振幅格子を用いたが、位相格子を用いても良い。あるいは振幅格子のインデックススケールと位相格子のインデックススケールを組み合わせても良い。この際も、上述設計方法により複数のインデックススケールに対する各ＯＴＦの値が略最大になるよう設定すれば良い。
【０１２４】
また、本実施の形態では、透過式のスケール基板について述べたが、実施の形態２で述べたような反射式スケール基板を用いても良い。この場合、光束５の照射方向は、反射式スケール基板で反射した光線がインデックススケール基板４５、検出基板９に進むように構成すれば良い。
【０１２５】
実施の形態５．
図１０（ａ）は本発明の実施の形態５による光学式絶対値エンコーダのうち、スケール基板を示す正面図、図１０（ｂ）は本発明の実施の形態５による光学式絶対値エンコーダのうち、スケール基板、検出基板、シリンドリカルレンズを示す側面図、図１０（ｃ）は図１０（ｂ）のＣ−Ｃ線での断面図である。
図１０（ａ）において、スケール基板４８は、例えばガラス基板上にクロム蒸着などで透過開口および非透過部を形成したものであり、この透過開口および非透過部によりオン、オフパターンを形成している。また、スケール基板４８上には、測定範囲Ｐ１において１周期分の正弦波状光量変化を受光素子上に生成するよう設計されたアブソリュートスケール４９、周期がＰ２に設定されたインクリメンタルスケール５０、周期がＰ３に設定されたインクリメンタルスケール５１が備えられている。各スケールの実線で囲まれた部分が透過部を示し、残りは非透過部であり、透過部の周期方向における巾は周期の半分に設定されている。
【０１２６】
図１０（ｂ）、（ｃ）において、下方から略平行光である光束５２がシリンドリカルレンズ５３、スケール基板４８、検出基板５４に向けて照射されるが、シリンドリカルレンズ５３を通過した光線はインクリメンタルスケール５０、インクリメンタルスケール５１を通過し、シリンドリカルレンズ５３を通過しない光線はアブソリュートスケール４９を通過する。
光束５２は、例えばＬＤなどコヒーレントな光源から発せられた中心波長λの光束である。
スケール基板４８はその他の部材に対し相対的にｘ方向へ移動可能な構造となっている。
【０１２７】
シリンドリカルレンズ５３はｃ面上に焦点を持ち、図１０（ｃ）のように光束５２は一旦ｃ面上で焦点を結んだあと、位置検出方向（ｘ方向）に発散する発散光としてスケール基板４８を照射する。この光束５２はｃ面上にて線光源となっており、Ｃ−Ｃ断面で見れば点光源の役割をしている。このとき、シリンドリカルレンズ５３の曲率を変更すれば焦点位置からの光の発散角度を任意に設定できる。
【０１２８】
図１０（ｂ）において、Ｚはシリンドリカルレンズ５３の焦点位置（ｃ面）とスケール基板４８との間隔、およびスケール基板４８と検出基板５４との間隔である。検出基板５４上には、実施の形態１と同様、アブソリュートスケール４９、インクリメンタルスケール５０、インクリメンタルスケール５１を透過した光信号を各々検出し、各々正弦波状信号、余弦波状信号を出力する受光素子５５、受光素子アレイ５６、受光素子アレイ５７が備えられている。受光素子アレイ５６、受光素子アレイ５７の配列周期は各々２×Ｐ２、２×Ｐ３となっている。
【０１２９】
上述の構成において、アブソリュートスケール４９（スケールＢ）と受光素子５５（検出部Ｂ）とにより１つのアブソリュートデータを生成するアブソリュートデータ生成手段を構成し、インクリメンタルスケール５０（スケールＡ）と、ｃ面上の線光源と、受光素子アレイ５６（検出部Ａ）とにより周期が２番目に短いインクリメンタルデータを生成するインクリメンタルデータ生成手段を構成し、インクリメンタルスケール５１（スケールＡ）と、ｃ面上の線光源と、受光素子アレイ５７（検出部Ａ）とにより周期の最も短いインクリメンタルデータを生成するインクリメンタルデータ生成手段を構成し、検出部Ａの検出信号と検出部Ｂの検出信号とを組み合わせて、絶対位置情報を測定する。
【０１３０】
本実施の形態における受光素子アレイ５６、受光素子アレイ５７上の光強度分布の空間周波数分布は式（１）で表現でき、実施の形態１〜実施の形態４と同様、式（２）にてＮが１以上の整数となる条件を持つ光強度分布が伝達される。本実施の形態においては、ＯＴＦそのものがある空間周波数の光強度分布のコントラストに比例する。本実施の形態においては、式（２）におけるＺ１がシリンドリカルレンズ５３の焦点位置（ｃ面）とスケール基板４８との間隔、Ｚ２がスケール基板４８と検出基板５４との間隔、ｓ２がインクリメンタルスケール５０の周期あるいはインクリメンタルスケール５１の周期、ｓ３が受光素子アレイ５６あるいは受光素子アレイ５７上に伝達される光強度分布の周期に相当する。
【０１３１】
また、図１０のような構成においても、実施の形態１〜実施の形態３のように、スケール基板４８がｘだけ移動した場合の受光素子アレイ５６、受光素子アレイ５７上の光強度分布の移動量ｄは式（７）に従う。
【０１３２】
本実施の形態では、受光素子アレイ５７上に伝達される光強度分布のうち、基本空間周波数に対するＯＴＦが最大となるようＺを設定している。つまり、式（２）においてＮが１となる光強度分布に対するＯＴＦを最大にしている。具体的には、下記式（１２）を満たすよう設定している。
【０１３３】
【数１２】
2009019876.tif 000014
【０１３４】
今、Ｚ１＝Ｚ２であるので、受光素子アレイ５７上に伝達される光強度分布のうち基本周波数を持つ光強度分布の周期は２×Ｐ３で、式（１２）は式（１３）のように書ける。
【０１３５】
【数１３】
2009019876.tif 000015
【０１３６】
例えば、Ｐ３が３０μｍ、Ｐ２が１５０μｍ、λが０．８５μｍ、Ｚ＝２１１８μｍの場合、受光素子アレイ５７上に生成される光強度分布の基本空間周波数（１／（２×Ｐ３））に対するＯＴＦは理論上最大（約０．６）となり、かつ受光素子アレイ５６上に生成される光強度分布の基本空間周波数（１／（２×Ｐ２））に対するＯＴＦを式（１）より求めると、その値は最大値（約０．６）から僅かに低下するのみである。具体的には最大値から約１％劣化するのみである。また、組立て誤差、振動などにより例えばＺの値が３００μｍ変動したとしても受光素子アレイ５７上に生成される光強度分布の基本空間周波数に対するＯＴＦ低下は約１０％に抑制することができ、このようなＺを設定することが望ましい。
【０１３７】
受光素子アレイ５６、受光素子アレイ５７上に生成される光強度分布には式（２）におけるＮ＝２以上を満たす空間周波数も含まれるが、１つ１つの受光素子の格子配列方向における開口巾や配置などを工夫すれば、基本空間周波数成分以外の信号を低減することが可能となる。
例えば、上述開口巾を受光素子アレイの周期の１／３とすれば、基本空間周波数の３倍成分の信号を除去することができ、受光素子アレイ５６、受光素子アレイ５７から出力される正弦波状出力の理想正弦波からの歪みを低減でき、高精度な測定が可能となる。
【０１３８】
アブソリュートスケール４９により受光素子５５上に生成される光強度分布の周期（＝Ｐ１）は、例えば１０００μｍとする。受光素子アレイ５６、受光素子アレイ５７上に各々生成される光強度分布のうち基本空間周波数を持つ光強度分布の周期は、式（２）より各々３００μｍ、６０μｍとなる。
【０１３９】
上述の例の場合、スケール基板４８が他部品に対し、例えば３０μｍ相対移動した場合、受光素子５５、受光素子アレイ５６、受光素子アレイ５７上に各々生成される光強度分布の移動量は、受光素子５５上にて３０μｍ、受光素子アレイ５６上、受光素子アレイ５７上においては式（７）に示すとおり６０μｍとなる。スケール基板４１の移動に対する受光素子５５、受光素子アレイ５６、受光素子アレイ５７から出力される信号周期は、各々Ｐ１（＝１０００μｍ）、Ｐ２（＝１５０μｍ）、Ｐ３（＝３０μｍ）となる。
【０１４０】
上記例にて、保持部材の熱膨張などにより例えば検出基板５４が他部品に対し、ｘ方向に−３０μｍ移動した場合、受光素子アレイ５６、受光素子アレイ５７による検出誤差は、上記式（７）より１５μｍ発生する。一方、受光素子３０による検出誤差は３０μｍである。
従って、受光素子アレイ５６、受光素子アレイ５７による検出誤差の差は実施の形態１と同様０となり、周期飛び誤差は発生しない。一方、受光素子アレイ５６による検出誤差と受光素子５５による検出誤差の差は、実施の形態１と同様１５μｍ発生する。しかし、その値は受光素子アレイ３１による検出周期１５０μｍの１／１０であり、周期飛び誤差は発生しない。
【０１４１】
なお、上記実施の形態では、検出基板５４が保持部材の熱膨張でｘ方向に移動した場合について述べたが、シリンドリカルレンズ５３、つまりは光束５２の焦点位置が他部品に対して相対移動した場合など、ある光学部品が他の光学部品に対して本来の測定とは異なる相対移動をした場合も上述と同様に考えることができ、同様の効果がある。
【０１４２】
以上のように、本実施の形態では、２つのインクリメンタルデータ生成手段に対し、３枚のスケール板を用いた光学式エンコーダの原理を採用する替わりに、線光源を用いた構成としたが、このような構成においても、２つのインクリメンタルスケールが第一の移動量だけ移動した際、各受光素子アレイ上に生成される光強度分布の各移動量は上記第一の移動量とは異なるが、上記各移動量は互いに同等であるように構成することができ、実施の形態１と同様の効果がある。
【０１４３】
なお、上記実施の形態では、シリンドリカルレンズ５３の焦点位置（ｃ面）とスケール基板４８との間隔、およびスケール基板４８と検出基板５４との間隔を等しくし、Ｎ＝１の条件で設計した場合を述べたが、これに限ることはなくＰ２、Ｐ３、Ｚ、λ、Ｎなどのパラメータを（１）、式（２）に従い、受光素子上に伝達される基本空間周波数のＯＴＦの値が略最大になるよう適当に設定すれば良い。
【０１４４】
また、上記実施の形態では、ＺはＺ’＝２となるように設定したが、複数のインクリメンタルスケールに対する各基本空間周波数のＯＴＦの値が略最大になるよう設定すれば良い。
【０１４５】
また、上記実施の形態では、アブソリュートデータ生成手段として、測定範囲Ｐ１において１周期分の正弦波状光量変化を受光素子上に生成するよう設計されたアブソリュートスケール４９を用い、アナログ信号を生成したが、実施の形態２と同様に、各透過部の巾が一定でパターン周期がｘ方向の位置によって変化するよう設計され、結果として検出基板５５に向かう透過光量が正弦波状に変化するアブソリュートスケールを用いても良い。あるいは、例えばＭ系列データのようなデジタル信号生成用のアブソリュートスケールを用いても良い。
【０１４６】
また、本実施の形態では、ｃ面上に２つのインクリメンタルスケールを照射する１つの２次線光源（Ｃ−Ｃ断面で見れば点光源を備えるものであるが、実際にはｃ面上で線光源となる光源）を配置したが、ｃ面上に２つのインクリメンタルスケールを照射する１つの点光源（例えば面発光レーザー）、あるいは各インクリメンタルスケールを各々照射する２つの点光源をｃ面上に備えても良い。
また、ｃ面上にインクリメンタルスケールを照射する１つの２次線光源を生成するために、１つのシリンドリカルレンズ５３を備えたが、ｃ面上に複数の２次線光源を生成するために複数のシリンドリカルレンズを備えても良い。
【０１４７】
さらに、上記実施の形態ではインクリメンタルスケール５０、インクリメンタルスケール５１に振幅格子を用いたが、位相格子を用いても良い。あるいは振幅格子のインクリメンタルスケールと位相格子のインクリメンタルスケールを組み合わせても良い。この際も、上述設計方法により複数のインクリメンタルスケールに対する各基本空間周波数のＯＴＦの値が略最大になるよう設定すれば良い。
【０１４８】
さらに、上記実施の形態では、１つのアブソリュートデータ生成手段と２つのインクリメンタルデータ生成手段を用い、上記２つのインクリメンタルデータ生成手段に、線光源あるいは点光源からの光線をスケール基板に照射する光学式エンコーダの原理を採用する構成としたが、これに限ることなく、バーニアコードのような複数本のスケールによるアブソリュートデータ生成手段や、３つ以上のインクリメンタルデータ生成手段を用いても良い。３つ以上のインクリメンタルデータ生成手段を用いる場合、データ周期の短いものから少なくとも２つ以上のインクリメンタルデータ生成手段に対し、前述の線光源あるいは点光源からの光線をスケール基板に照射する光学式エンコーダの原理を採用するとよい。データ周期の短いものから２つ目のインクリメンタルデータ生成手段と３つ目のインクリメンタルデータ生成手段との間に上述の周期飛び誤差が懸念されない場合は、３つ以上のインクリメンタルデータ生成手段のうち、データ周期の短いものから２つのインクリメンタルデータ生成手段に対してのみ、前述の線光源あるいは点光源からの光線をスケール基板に照射する光学式エンコーダの原理を採用すれば良い。
あるいは、アブソリュートデータ生成手段および全てのインクリメンタルデータ生成手段に前述の線光源あるいは点光源からの光線をスケール基板に照射する光学式エンコーダの原理を採用しても良い。この場合は、各データ生成手段間の検出誤差の差はほぼ０となる。
【図面の簡単な説明】
【０１４９】
【図１】本発明の実施の形態１に係わるスケール基板を示す正面図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係わるインデックススケール基板、スケール基板、および検出基板を示す側面図である。
【図３】３枚のスケール板を用いた光学式エンコーダの原理を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１による光学式絶対値エンコーダの動作を説明する図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係わるインデックススケール基板、スケール基板、および検出基板を示す斜視図である。
【図６】本発明の実施の形態２による光学式絶対値エンコーダの動作を説明する図である。
【図７】本発明の実施の形態３に係わるインデックススケール基板、スケール基板、および検出基板の構成、並びにａ面上の光強度分布を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態４に係わるスケール基板を示す正面図である。
【図９】本発明の実施の形態４に係わるスケール基板、インデックススケール基板、および検出基板を示す側面図である。
【図１０】本発明の実施の形態５に係わるスケール基板、検出基板、およびシリンドリカルレンズの構成を示す図である。
【符号の説明】
【０１５０】
１，２５，４１，４８  スケール基板
２，２６，４２，４９  アブソリュートスケール
３，４，２７，２８，４３，４４，５０，５１  インクリメンタルスケール
５，１３，２０，５２  光束
６，２１，３４，４５  インデックススケール基板
７，８，２３，２４，４６，４７  インデックススケール
９，１８，２９，３７，５４  検出基板
１０，３０，３８，５５  受光素子
１１，１２，１９，３１，３２，３９，４０，５６，５７  受光素子アレイ
１４  第一スケール基板
１５，１７  スケール
１６  第二スケール基板
２２  開口
３５，３６  シリンドリカルレンズアレイ
５３  シリンドリカルレンズ
【図１】
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【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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【図１０】
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