JP2004239825A - 光学式エンコーダ及びその出力信号レベルの調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スケールピッチなどエンコーダの構成パラメータから、タルボットイメージ等明暗パターンのコントラストが十分に得られる光源の光ビーム出射窓幅を提供する。
【解決手段】可干渉光源１と、周期的な光学パターンを有し、可干渉光源１に対して相対的に変位するスケール２と、可干渉光源１から出射されスケール２を経由した光ビームを検出するための光検出器３とを有する光学式エンコーダであって、可干渉光源１とスケール２との距離をｚ１、スケール２と光検出器３との距離をｚ２，スケール２が有する周期的な光学パターンのピッチをｐ１としたときに、可干渉光源２のスケール移動方向における光ビーム出射窓幅ＷＬｓは、ｐ１×（ｚ１＋ｚ２）／（２×ｚ２）以下である。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学式エンコーダ及びその出力信号の調整方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、工作機械のステージや３次元計測定器などにおいては、直線方向の変位量を検出するためのエンコーダが利用されている。また、サーボモータなどにおいては、回転角を検出するための光学式や磁気式などのエンコーダが利用されている。
【０００３】
光学式エンコーダは一般的に、ステージ等の変位を検出しようとする部材に固定されたスケールと、このスケールの変位を検出するためのセンサヘッドとによって構成されている。センサヘッドはスケールに光を照射する発光部と、スケールにより透過、反射または回折された光ビームを検出するための受光部とを有しており、受光した光信号の変化によってスケールの移動を検出している。
【０００４】
従来技術として、代表的な光学式エンコーダについて図２３を参照して説明する。図２３は面発光レーザと反射型スケールを用いた従来技術によるレーザエンコーダを示す構成図である。
【０００５】
この面発光レーザと反射型スケールを用いたレーザエンコーダについては例えば特開２００２−４８６０２に記載されている。
【０００６】
このエンコーダは図２３に示すように、反射型のスケール２０とセンサヘッド３０とで構成されている。スケール２０の表面には移動量検出用の光学パターン２３が形成されており、このパターンは例えばガラス等の透明な部材の表面にアルミニウム等反射率の高い部材をパターニングすることにより形成されている。センサヘッド３０は、移動量検出用光検出器３７の受光部が半導体基板３４上に形成され、その半導体基板３４上に移動量検出用の可干渉光源（以下、光源と呼ぶ）３２１が配置されており、光源３２１と光検出器３７の相対的な位置関係は一定に保たれている。
【０００７】
スケール２０はステージ（図示せず）等と連動してセンサヘッド３０に対して相対的に図２３の矢印の方向に移動し、センサヘッド３０はこの移動量をスケール２０からの回折光の強度変化から検出する。この移動量の検出信号は、例えば図２４のような波形で出力される。ここで、Ａ相，Ｂ相とは、スケール２０の移動に伴って出力される波形で、一般的には擬似的な正弦波となっている。Ａ相とＢ相は位相が９０度異なる出力で、このＡ相とＢ相の信号の位相関係からスケール２０の移動方向を検出することが可能となっている。スケール２０はセンサヘッド３０に対して、いわゆるタルボットイメージを形成可能な位置関係を維持しながら変位する。
【０００８】
以下にタルボットイメージについて図２５を用いて説明する。ここでは簡単のため透過型エンコーダを想定して説明を行うが、反射型エンコーダにおいても全く同様の議論が成立する。
【０００９】
図２５に示すように、各構成パラメータを以下のように定義する。
【００１０】
ｚ１：光源１と、スケール２上の回折格子を形成した面との間隔
ｚ２：スケール２上の回折格子を形成した面と、光検出器３との間隔
ｐ１：スケール２上の回折格子のピッチ
ｐ２：光検出器３の受光面上の回折干渉パターンのピッチ
なお、「スケール２上の回折格子のピッチ」とは、スケール２上に形成される光学特性が変調された光学パターンの空間的な周期を意味する。
【００１１】
また、「光検出器３の受光面上の回折干渉パターンのピッチ」とは、受光面上に生成された回折パターンの強度分布（光強度パターン）の空間的な周期を意味する。
【００１２】
ところで、光の回折理論によると、上記のように定義されるｚ１，ｚ２が以下の式（１）に示す関係を満たすような特定の関係にある時には、スケール２の回折格子パターンと相似な光強度パターン、いわゆるタルボットイメージが光検出器３の受光面上に生成される。
【００１３】
（１／ｚ１）＋（１／ｚ２）＝λ／ｋ（ｐ１）^２ …（１）
ここで、λは光源１から出射される光ビームの波長、ｋは自然数である。
【００１４】
このときには、受光面上の回折干渉パターンのピッチｐ２は以下の式（２）に示すように表すことが出来る。
【００１５】
ｐ２＝ｐ１×（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１ …（２）
光源１に対してスケール２が回折格子のピッチ方向に変位すると、同じ空間周期を保った状態で回折干渉パターンの強度分布がスケール２の変位する方向に移動する。
【００１６】
従って、光検出器３の受光部４の空間周期ｐ２０をｐ２と同じ値に設定すれば、スケール２がピッチ方向にｐ１だけ移動する毎に光検出器３から周期的な強度信号が得られるのでスケール２のピッチ方向の変位量を検出する事が出来る。
【００１７】
図２３に戻って説明を続けると、移動量検出用の光源３２１と、移動量検出用の光学パターン２３および光検出器３７の受光部は、上記タルボットイメージを形成可能な位置関係に配置されているため、光検出器３７の受光部上にはスケール２０上に形成された移動量検出用の光学パターン２３と相似な明暗パターンが投影される。この明暗パターンの周期は式（２）により計算される周期ｐ２となっている。光検出器３７上の受光部は、このｐ２の周期を持つように形成されており、このような受光部によって明暗パターンの移動が検出可能である。
【００１８】
光学式エンコーダは高精度、高分解能、非接触式であり、かつ電磁波障害耐性に優れるなどの特徴を有しているため、さまざまな分野で利用されており、特に高精度、高分解能を要するエンコーダにおいては、光学式が主流となっている。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の光学式エンコーダでは、以下に示すような問題点が存在する。すなわち、第一の問題点としては、光源と、スケールが有する周期的な光学パターンのピッチすなわちスケールピッチを適切に選ばなければ、タルボットイメージに代表される、光検出器上に投影される明暗パターンのコントラストが十分には得られないと言う点である。これは、光源から出射される光ビームの特性とスケールピッチとの関係が、光検出器上に投影される明暗パターンのコントラストと密接に関連しているためである。例えば、光ビームの出射窓幅においては、一般的には光源の光ビーム出射窓幅がスケールピッチより小さい必要があると言われており、これより大きな光ビーム出射窓幅の光源では、光源のコヒーレンシーが十分であっても、十分な明暗パターンのコントラストを得ることは出来ないと言われている。しかしながら、十分なコントラストの明暗パターンを得るための、光源の光ビーム出射窓幅の限界は明確になっていなかった。このため、上記従来例に使用されている光源としては、例えば端面発光型の半導体レーザや、面発光レーザなど、スケールピッチに比較して小さな光ビーム出射窓幅を有するものが使用されていた。つまり、光源によっては、あるスケールピッチでは使用可能であるが、あるスケールピッチでは使用できない等の問題が起こっていたため、同じ光源を複数のスケールピッチのスケールで使用しようとすると、想定している最も小さなスケールピッチに対応した光源を選ぶ必要があり、半導体レーザなどが使用されることとなるが、一般にこれらの出射窓幅の小さな光源は高価であるため、スケールピッチの比較的大きなスケールを用いたエンコーダではコストアップにもつながっていた。
【００２０】
また、第二の問題点としては、光源幅を小さくし、スケールピッチを小さくしてゆくと、光検出器上に投影されるタルボットイメージのピッチは小さくなるため、光検出器のスケール移動方向の幅も小さくする必要があった。光検出器は一般に半導体基板上に形成されたフォトダイオードにより形成されており、このフォトダイオードの幅も半導体製造技術上の下限がある。また、タルボットイメージの拡大率を大きくしようとすると、光源とスケールの距離に対してスケールと光検出器との距離を大きくする必要があり、このように構成した場合、エンコーダヘッドは大型になり、また、光源と光検出器を段差を介して配置する必要があるなど、コストの上昇にもつながっていた。さらに、何種類かの拡大率のエンコーダヘッドを作製しようとすると、光源の位置等を調整する必要があるため、設計、組立上大きな変更が必要となり、コストアップにつながっていた。
【００２１】
本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、その目的とするところは、スケールピッチなどエンコーダの構成パラメータから、タルボットイメージ等明暗パターンのコントラストが十分に得られる光源の光ビーム出射窓幅を提供することにある。
【００２２】
また、光源の光ビーム出射窓幅と比較して小さなスケールピッチのスケールによりタルボットイメージを形成する方法、および、光源の位置を変更することなく、光検出器上に形成されるタルボットイメージの拡大率を調整する方法を提案することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、第１の発明は、可干渉光源と、周期的な光学パターンを有し、前記可干渉光源に対して相対的に変位するスケールと、前記可干渉光源から出射され前記スケールを経由した光ビームを検出するための光検出器とを有する光学式エンコーダであって、前記可干渉光源と前記スケールとの距離をｚ１、前記スケールと前記光検出器との距離をｚ２，前記スケールが有する前記周期的な光学パターンのピッチをｐ１としたときに、前記可干渉光源のスケール移動方向における光ビーム出射窓幅ＷＬｓは、ｐ１×（ｚ１＋ｚ２）／（２×ｚ２）以下である。
【００２４】
また、第２の発明は、可干渉光源と、周期的な光学パターンを有し、前記可干渉光源に対して相対的に変位するスケールと、前記可干渉光源から出射され前記スケールを経由した光ビームを検出するための光検出器とを有する光学式エンコーダであって、前記可干渉光源と前記スケールとの距離をｚ１、前記スケールと前記光検出器との距離をｚ２，前記スケールが有する前記周期的な光学パターンのピッチをｐ１、ｎを自然数としたときに、前記可干渉光源のスケール移動方向における光ビーム出射窓幅ＷＬｓは、おおよそｐ１×（２ｎ−１）×（ｚ１＋ｚ２）／（２×ｚ２）で表される。
【００２５】
また、第３の発明は、可干渉光源と、周期的な光学パターンを有し、前記可干渉光源に対して相対的に変位するスケールと、前記可干渉光源から出射され前記スケールを経由した光ビームを検出するための光検出器とを有する光学式エンコーダであって、前記可干渉光源と前記スケールとの距離をｚ１、前記スケールと前記光検出器との距離をｚ２，前記スケールが有する前記周期的な光学パターンのピッチをｐ１、ｎを自然数としたときに、前記可干渉光源のスケール移動方向における光ビーム出射窓幅ＷＬｓは、ｐ１×（２ｎ−１．５）×（ｚ１＋ｚ２）／（２×ｚ２）≦ＷＬｓ≦ｐ１×（２ｎ−０．５）×（ｚ１＋ｚ２）／（２×ｚ２）の関係を満たす。
【００２６】
また、第４の発明は、可干渉光源と、周期的な光学パターンを有し、前記可干渉光源に対して相対的に変位するスケールと、前記可干渉光源から出射され前記スケールを経由した光ビームを検出するための光検出器とを有する光学式エンコーダであって、前記スケールが有する前記周期的な光学パターンのピッチをｐ１、ｎを自然数としたときに、前記可干渉光源のスケール移動方向における光ビーム出射窓幅ＷＬｓは、（２ｎ−１．５）×ｐ１≦ＷＬｓ≦（２ｎ−０．５）×ｐ１の関係を満たす。
【００２７】
また、第５の発明は、第１から第４のいずれかの発明に係る光学式エンコーダにおいて、可干渉光源と前記スケールとの距離をｚ１、前記スケールと前記光検出器との距離をｚ２、前記スケールが有する前記周期的な光学パターンのピッチをｐ１、ｎを自然数としたときに、前記可干渉光源は、前記光学パターンのピッチｐ１の（ｚ１＋ｚ２）／ｚ２×ｎ倍の位置に、前記スケールの移動方向に複数の光ビーム出射窓を有する。
【００２８】
また、第６の発明は、可干渉光源と、周期的な光学パターンを有し、前記可干渉光源に対して相対的に変位するスケールと、前記可干渉光源から出射され前記スケールを経由した光ビームを検出するための光検出器を有する光学式エンコーダであって、前記可干渉光源と前記スケール間に、前記光ビームの所定の部分を透過する光学素子を有する。
【００２９】
また、第７の発明は、第１から第６の発明のいずれかに係る光学式エンコーダにおいて、前記可干渉光源と、前記スケールと、前記光検出器とは、タルボットイメージを検出可能な所定の関係に配置されている。
【００３０】
また、第８の発明は、第１から第６のいずれかに記載の光学式エンコーダにおいて、前記可干渉光源と前記スケールとの距離をｚ１、前記スケールと前記光検出器との距離をｚ２、前記スケールが有する前記周期的な光学パターンのピッチをｐ１、前記可干渉光源から出射される前記光ビームの波長をλ、ｎを整数としたときに、前記光学式エンコーダは、おおよそ、１／ｚ１＋１／ｚ２＝λ／（ｎ（ｐ１）^２ ）の関係を満たすように構成されている。
【００３１】
また、第９の発明は、第６の発明に係る光学式エンコーダにおいて、前記可干渉光源から出射された光ビームの所定の部分を通過させる光学素子と、前記スケールと、前記光検出器とは、タルボットイメージの動きを検出可能な所定の位置関係に配置されている。
【００３２】
また、第１０の発明は、第６の発明に係る光学式エンコーダにおいて、前記可干渉光源から出射された光ビームの所定の部分を通過させる光学素子と前記スケールとの距離をｚ３、前記スケールと前記光検出器との距離をｚ２、前記スケールが有する前記周期的な光学パターンのピッチをｐ１、前記可干渉光源から出射される前記光ビームの波長をλ、ｎを整数としたときに、前記光学式エンコーダは、おおよそ、１／ｚ２＋１／ｚ３＝λ／（ｎ（ｐ１）^２）の関係を満たすように構成されている。
【００３３】
また、第１１の発明は、第１から第１０のいずれかの発明に係る光学式エンコーダにおいて、前記可干渉光源から出射された光ビームが前記スケールを経由して前記光検出器の受光面上に照射された時に形成される前記受光面上の光強度パターンの周期をｐ２としたときに、前記光検出器は、前記光強度パターンの所定の位相部分を検出する複数の受光部を有する。
【００３４】
また、第１２の発明は、第６から第１１のいずれかの発明に係る光学式エンコーダにおいて、前記スケールと前記光検出器との距離をｚ２、前記スケールが有する前記周期的な光学パターンのピッチをｐ１、前記可干渉光源から出射された光ビームの所定の部分を通過させる光学素子と前記スケールとの距離をｚ３としたときに、前記光検出器の受光部は、前記光検出器の受光面上に形成される前記光強度パターンの周期ｐ２が、おおよそｐ１×（ｚ２＋ｚ３）／ｚ３である光強度パターンの所定の位相部分を検出可能に構成されている。
【００３５】
また、第１３の発明は、第６から第１２のいずれかの発明に係る光学式エンコーダにおいて、前記可干渉光源から出射された光ビームの所定の部分を通過させる光学素子は、前記スケールの移動方向に短軸を有するスリットである。
【００３６】
また、第１４の発明は、第１３の発明に係る光学式エンコーダにおいて、前記スケールと前記光検出器との距離をｚ２、前記スリットと前記スケールとの距離をｚ３、前記スケールが有する前記周期的な光学パターンのピッチをｐ１、ｎを自然数としたときに、前記スリットの、前記スケールの移動方向の実効的な開口幅Ｗｓ は、ｐ１×（ｚ３＋ｚ２）／（２×ｚ２）以下である。
【００３７】
また、第１５の発明は、前記スケールと前記光検出器との距離をｚ２、前記スリットと前記スケールとの距離をｚ３、前記スケールが有する前記周期的な光学パターンのピッチをｐ１、ｎを自然数としたときに、前記スリットの、前記スケールの移動方向における実効的な開口幅Ｗｓ は、おおよそｐ１×（２ｎ−１）×（ｚ３＋ｚ２）／（２×ｚ２）で表される。
【００３８】
また、第１６の発明は、第１３の発明に係る光学式エンコーダにおいて、前記スケールと前記光検出器との距離をｚ２、前記スリットと前記スケールとの距離をｚ３、前記スケールが有する前記周期的な光学パターンのピッチをｐ１、ｎを自然数としたときに、前記スリットの、前記スケールの移動方向の実効的な開口幅Ｗｓ と前記スケールピッチｐ１との関係は、おおよそ、ｐ１×（２ｎ−１．５）×（ｚ３＋ｚ２）／（２×ｚ２）≦Ｗｓ ≦ｐ１×（２ｎ−０．５）×（ｚ３＋ｚ２）／（２×ｚ２）で表される。
【００３９】
また、第１７の発明は、第１３から第１６のいずれかの発明に係る光学式エンコーダにおいて、前記スケールと前記光検出器との距離をｚ２、前記スリットと前記スケールとの距離をｚ３、前記スケールが有する前記周期的な光学パターンのピッチをｐ１、ｎを自然数としたときに、前記スリットは前記スケールの移動方向に複数の開口部を有し、かつ、前記複数の開口部は前記スケールのピッチｐ１の（ｚ３＋ｚ２）／ｚ２×ｎ倍の位置に配置されている。
【００４０】
また、第１８の発明は、第１３の発明に係る光学式エンコーダにおいて、前記スリットが有する前記スケールの移動方向の実効的な開口幅Ｗｓ は、ｎを自然数として、ｐ１×（２ｎ−１．５）≦Ｗｓ ≦ｐ１×（２ｎ−０．５）の関係を満たす。
【００４１】
また、第１９の発明は、第１３または第１８の発明に係る光学式エンコーダにおいて、前記スリットは、前記スケールの移動方向に複数の開口部を有し、前記複数の開口部は、前記光検出器のピッチｐ２の略整数倍の位置に配置されている。
【００４２】
また、第２０の発明は、第１９の発明に係る光学式エンコーダにおいて、前記スリットは、前記スケールの移動方向に、前記スケールのピッチｐ１の略整数倍の位置に配置されている。
【００４３】
また、第２１の発明は、第６から第１２のいずれかの発明に係る光学式エンコーダにおいて、前記可干渉光源から出射された光ビームの所定の部分を通過させる光学素子は、円形の開口である。
【００４４】
また、第２２の発明は、第２１の発明に係る光学式エンコーダにおいて、前記スケールと前記光検出器との距離をｚ２、前記円形の開口と前記スケールとの距離をｚ３、前記スケールが有する前記周期的な光学パターンのピッチをｐ１、ｎを自然数としたときに、前記円形の開口の、前記スケールの移動方向の実効的な開口幅Ｗｓ は、ｐ１×（ｚ３＋ｚ２）／（２×ｚ２）以下である。
【００４５】
また、第２３の発明は、第２１の発明に係る光学式エンコーダにおいて、前記スケールと前記光検出器との距離をｚ２、前記円形の開口と前記スケールとの距離をｚ３、前記スケールが有する前記周期的な光学パターンのピッチをｐ１、ｎを自然数としたときに、前記円形の開口の、前記スケールの移動方向における実効的な開口幅Ｗｓ は、おおよそｐ１×（２ｎ−１）×（ｚ３＋ｚ２）／（２×ｚ２）で表される。
【００４６】
また、第２４の発明は、第２１の発明に係る光学式エンコーダにおいて、前記スケールと前記光検出器との距離をｚ２、前記開口と前記スケールとの距離をｚ３、前記スケールが有する前記周期的な光学パターンのピッチをｐ１、ｎを自然数としたときに、前記開口の実効的な開口幅Ｗｓ は、おおよそｐ１×（２ｎ−１．５）×（ｚ２＋ｚ３）／（２×ｚ２）≦Ｗｓ ≦ｐ１×（２ｎ−０．５）×（ｚ２＋ｚ３）／（２×ｚ２）の関係を満たす。
【００４７】
また、第２５の発明は、第１から第２４のいずれかの発明に係る光学式エンコーダにおいて、前記スケールと前記光検出器との距離をｚ２、前記開口と前記スケールとの距離をｚ３、前記スケールが有する前記周期的な光学パターンのピッチをｐ１、ｎを自然数としたときに、前記開口は前記スケールの移動方向に複数の開口部を有し、前記複数の開口部は前記光学パターンのピッチｐ１の（ｚ２＋ｚ３）／ｚ２×ｎ倍の位置に配置されている。
【００４８】
また、第２６の発明は、第２１の発明に係る光学式エンコーダにおいて、前記開口の実効的な開口幅Ｗｓ と前記光学パターンのピッチｐ１とは、ｎを自然数としたとき、おおよそｐ１×（２ｎ−１．５）≦Ｗｓ ≦ｐ１×（２ｎ−０．５）の関係を満たす。
【００４９】
また、第２７の発明は、第２１または第２６の発明に係る光学式エンコーダにおいて、前記開口は、前記スケールの移動方向に前記光検出器の前記受光面上に形成される光強度パターンの周期ｐ２の略整数倍の位置に複数配置されている。
【００５０】
また、第２８の発明は、第２１から第２７のいずれかの発明に係る光学式エンコーダにおいて、前記開口は、前記スケールのパターン面と平行な面内で、前記スケールの移動方向と直交する方向に複数配置されている。
【００５１】
また、第２９の発明は、可干渉光源と、前記可干渉光源から出射された光ビームの所定の部分を通過させる光学素子と、周期的な光学パターンを有し、前記可干渉光源に対して相対的に変位するスケールと、前記可干渉光源から出射され前記スケールを経由した光ビームを検出するための光検出器とを有する光学式エンコーダの、前記光検出器の受光面上に形成される光強度パターンの周期ｐ２に応じた出力信号レベルの調整方法であって、（ｉ）前記光検出器の前記受光面上に形成される光強度パターンを検出するステップと、（ｉｉ）前記光検出器により検出される光強度パターンの周期ｐ２に応じた出力信号のレベルを確認するステップと、（ｉｉｉ）前記出力信号のレベルが所定の範囲に含まれるか否かを判断するステップと、（ｉｖ）前記出力信号のレベルが前記所定の信号レベルの範囲に含まれない場合には、前記光学素子から前記スケールまでの距離を変化させるステップとを具備し、前記（ｉ）から（ｉｖ）までの各ステップを繰り返して実行する。
【００５２】
また、第３０の発明は、可干渉光源と、周期的な光学パターンを有し、前記可干渉光源に対して相対的に変位するスケールと、前記可干渉光源から出射され前記スケールを経由した光ビームを検出するための光検出器を有する光学式エンコーダであって、前記可干渉光源と前記スケール間に、前記光ビームのビーム拡がり角を所定の値にする光学素子を有する。
【００５３】
また、第３１の発明は、第３０の発明に係る光学式エンコーダにおいて、前記可干渉光源と、前記スケールと、前記光検出器とは、タルボットイメージを検出可能な所定の位置関係に配置されている。
【００５４】
また、第３２の発明は、第３０の発明に係る光学式エンコーダにおいて、前記可干渉光源と前記スケールとの距離をｚ１、前記スケールと前記光検出器との距離をｚ２、前記スケールが有する前記周期的な光学パターンのピッチをｐ１、前記可干渉光源から出射される前記光ビームの波長をλ、ｎを整数としたときに、前記光学式エンコーダは、おおよそ、１／ｚ１＋１／ｚ２＝λ／（ｎ（ｐ１）^２）の関係を満たすように構成されている。
【００５５】
また、第３３の発明は、第３０から第３２のいずれかの発明に係る光学式エンコーダにおいて、前記可干渉光源から出射された光ビームが前記スケールを経由して前記光検出器の受光面上に照射された時に形成される前記受光面上の光強度パターンの周期をｐ２としたときに、前記光検出器は、前記光強度パターンの所定の位相部分を検出する複数の受光部を有する。
【００５６】
また、第３４の発明は、第３０から第３３の発明のいずれかに係る光学式エンコーダであって、前記スケールと前記光検出器との距離をｚ２、前記スケールが有する前記周期的な光学パターンのピッチをｐ１、前記光ビームのビーム拡がり角を所定の値にする光学素子を通過した光ビームの拡がり角から算出される仮想的な点光源の位置から前記スケールまでの距離をｚ４としたときに、前記光検出器の受光部は、前記光検出器の受光面上に形成される光強度パターンの周期ｐ２が、おおよそ（ｚ２＋ｚ４）／ｚ４×ｐ１である光強度パターンの所定の位相部分を検出可能に構成されている。
【００５７】
また、第３５の発明は、第３０から３４のいずれかの発明に係る光学式エンコーダにおいて、前記光ビームのビーム拡がり角を所定の値にする光学素子は、レンズである。
【００５８】
また、第３６の発明は、第３５の発明に係る光学式エンコーダにおいて、前記レンズは、凹レンズである。
【００５９】
また、第３７の発明は、第３５の発明に係る光学式エンコーダにおいて、前記レンズは、複数のレンズによって構成される光学系である。
【００６０】
また、第３８の発明は、第３５の発明に係る光学式エンコーダにおいて、前記レンズは、前記スケールの移動方向にのみ光学作用を有するシリンドリカルレンズである。
【００６１】
また、第３９の発明は、第３５の発明に係る光学式エンコーダにおいて、前記レンズは、前記スケールの移動方向では前記光ビームのビーム拡がり角を凹レンズ的に広げる作用を有し、前記スケールの移動方向とは直交し、前記スケールパターンと平行な面内においては前記光ビームのビーム拡がり角を凸レンズ的に集光する作用を有する
また、第４０の発明は、可干渉光源と、周期的な光学パターンを有し、前記可干渉光源に対して相対的に変位するスケールと、前記可干渉光源から出射され前記スケールを経由した光ビームを検出するための光検出器とを有する光学式エンコーダの、前記光検出器の受光面上に形成される光強度パターンの周期ｐ２に応じた出力信号レベルの調整方法であって、（ｉ）前記可干渉光源から出射された光ビームのビーム拡がり角を所定の値に設定するステップと、（ｉｉ）前記設定されたビーム拡がり角から仮想的な点光源の位置を算出するステップと、（ｉｉｉ）前記光検出器の前記受光面上に形成される光強度パターンを検出するステップと、（ｉｖ）前記光検出器により検出される光強度パターンの周期ｐ２に応じた出力信号のレベルを確認するステップと、（ｖ）前記出力信号のレベルが所定の範囲に含まれるか否かを判断するステップと、（ｖｉ）前記出力信号のレベルが所定の信号レベルの範囲に含まれる場合は調整を終了し、前記出力信号のレベルが前記所定の信号レベルの範囲に含まれない場合には、前記算出された仮想的な点光源の位置から前記スケールまでの距離を変化させるステップとを具備し、前記（ｉｉｉ）から（ｖｉ）までの各ステップを繰り返して実行する。
【００６２】
また、第４１の発明は、可干渉光源と、周期的な光学パターンを有し、前記可干渉光源に対して相対的に変位するスケールと、前記可干渉光源から出射され前記スケールを経由した光ビームを検出するための光検出器を有する光学式エンコーダであって、前記可干渉光源と前記スケール間に、前記光ビームの所定の部分を透過する光学素子と、前記光ビームのビーム拡がり角を所定の値にする光学素子とを有する。
【００６３】
また、第４２の発明は、第６から第２９のいずれかの発明に係る光学式エンコーダにおいて、前記光ビームの所定の部分を透過する光学素子は、前記光源から出射された光ビームが、前記スケールによって反射された後、前記光検出器の実効的な受光感度を有する領域に向かう光路を遮らないように配置されている。
【００６４】
また、第４３の発明は、第３０から第４１のいずれかの発明に係る光学式エンコーダにおいて、前記光ビームのビーム拡がり角を所定の値にする光学素子は、前記可干渉光源から出射された光ビームが、前記スケールによって反射された後、前記光検出器の実効的な受光感度を有する領域に向かう光路を遮らないように配置されている。
【００６５】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の光学式エンコーダの概略を説明する。本発明による光学式エンコーダのセンサヘッドは、スケールのピッチ、光源とスケールの距離、スケールと光検出器の距離等から計算される条件を満足する光ビーム出射窓幅を有する可干渉光源を用いることで、光検出器上に投影される光強度パターンのコントラストが十分得られるように構成したものである。このとき、必ずしもスケールピッチより小さな光ビーム出射窓幅を有する可干渉光源を用いなくてもよいことが示されている。
【００６６】
また、本発明による光学式エンコーダのセンサヘッドは、光源とスケールの間に、光源から出射された光ビームの所定の部分を透過させる光学素子を設けることで、光源の幅に対して小さなスケールピッチのスケールを用いた場合でもコントラストの大きな光強度パターンを形成させ、これを検出することで、光源の光ビーム出射窓幅と比較して、より小さなスケールピッチのスケールを使用可能にしたものである。
【００６７】
さらに本発明の光学式エンコーダは、光源とスケールの間に、光源から出射された光ビームの所定の部分を透過させる光学素子を設けるか、または光源から出射された光ビームのビーム拡がり角を所定の値に設定する光学素子を設けることで、タルボットイメージの拡大率を調節できるため、光検出器を構成するフォトダイオードの幅を小さくすることなく、より小さなスケールピッチのスケールを用いることが可能となり、また、同じスケールを用いた場合でも、タルボットイメージが拡大されているため、より分解能を高めることが可能なように構成したものである。
【００６８】
以下に、図面を参照して本発明の光学式エンコーダを詳細に説明する。
【００６９】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る光学式エンコーダの構成を示しており、可干渉光源（以下、単に光源と呼ぶ）１と、光源１に対して相対的に変位する、周期的な光学パターンを有するスケール２と、光源１から出射されスケール２を経由した光ビームを検出するための光検出器３とを具備する。光源１とスケール２との間にはスリット１００が設けられている。
【００７０】
光源１は、波長λの光ビームを出射するＬＥＤであり、スケール２は、スケールピッチｐ１を有する透過型のスケールである。スリット１００はスケールピッチｐ１と同程度のスリット開口部１０２を有するスリットである。
【００７１】
今、光源１から出射された光ビームは、スリット１００に向けて照射されるが、このうちスリット開口部１０２を通過した光ビームだけがスケール２に向かって照射される。このとき、スリット開口部１０２を通過した光ビームは、このスリット開口部１０２を仮想的な点光源とした球面波となってスケール２に向かって照射され、スケール２を経由して光検出器３に入射する。
【００７２】
図２は、本実施形態の光検出器３の構成を示す図であり、複数の受光部４を１次元的に配列した受光部群によって構成されている。各受光部は、周期ｐ２０を有する明暗パターンの９０ｄｅｇずつ位相の異なる４つの位相部分を検出可能なように、それぞれが、周期ｐ２０ごとに電気的に接続された４つのグループ、＋Ａ，＋Ｂ，−Ａ，−Ｂにグループ分けされている。これら４つのグループが検出する信号は、互いに９０ｄｅｇずつ位相の異なる４つの信号であり、例えば（＋Ａ）と（−Ａ）は位相が１８０ｄｅｇ異なる反転信号の関係になっている。そして、前記した図２５のＡ相信号，Ｂ相信号は、Ａ相信号＝（＋Ａ）−（−Ａ），Ｂ相信号＝（＋Ｂ）−（−Ｂ）により出力される。
【００７３】
タルボットイメージは、上記した式（１）に示される様に、光源１、スケール２と、光検出器３の位置関係が所定の関係にあるときに光検出器３上に形成されることが知られている。本実施形態においては、スリット１００のスリット開口部１０２が仮想的な光源位置と見なせるため、スリット開口部１０２とスケール２、及び光検出器３が式（１）の関係で配置されれば、光検出器３上にタルボットイメージが形成されることとなる。式（１）は、この場合、以下のように書くことが出来る。
【００７４】
（１／ｚ２）＋（１／ｚ３）＝λ／ｋ（ｐ１）^２ …（１′）
ここで、
ｚ２：スケール２上の回折格子を形成した面と、光検出器３との距離
ｚ３：スリット開口部１０２と、スケール２上の回折格子を形成した面との距離
ｐ１：スケール２上の回折格子のピッチ
λ：光源１から出射される光ビームの波長
ｋ：自然数
また、本実施形態における光検出器３上に投影されるタルボットイメージの明暗パターンのピッチｐ２′は同様に、上記した式（２）に基づいて以下の通り計算される。
【００７５】
ｐ２′＝ｐ１（ｚ２＋ｚ３）／ｚ３ …（２′）
ここで、
ｐ２′：光検出器３の受光面上の回折干渉パターンのピッチ
ｐ２０：光検出器３上に形成されたフォトディテクタが検出できる明暗パターンのピッチ
従って、ｐ２０とｐ２′の関係を式（３）のように設定することで、光検出器３がタルボットイメージの動きを検出可能となる。
【００７６】
ｐ２０＝ｐ２′＝ｐ１（ｚ２＋ｚ３）／ｚ３ …（３）
上記した構成により、スケールピッチと比較して大きな光ビーム出射窓部を有する光源を用いた場合でも、十分なコントラストを有するタルボットイメージを光検出器上に投影する事が可能となり、さらにスリット１００の位置を調整することで、光源１や光検出器３の位置を変更することなくタルボットイメージの拡大率を調節することも可能となる。これによって、大きなコストアップとならずによりピッチの小さなスケール２を使用したり、同じフォトディテクタのピッチであってもより高分解能な光学式エンコーダを構成することが可能となる。
【００７７】
なお、本実施形態では透過型の光学式エンコーダについて説明したが、図３に示すように、光源１から出射した光ビームをスケール２０によって反射させ、光源１と同じ側に配置した光検出器３により当該反射ビームを検出するようにした反射型の光学式エンコーダについても全く同様の構成が可能である。３５は光検出器３の受光部３５である。
【００７８】
このように反射型の光学式エンコーダにおいては、スケール２０からの光ビームは光検出器３上に形成された受光部３５の実効的な受光感度を有する部分に入射するが、この光ビームの経路をスリット１００が遮らないようにすることが望ましい。
【００７９】
（第２実施形態）
以下に、本発明の第２実施形態に係る光学式エンコーダについて説明する。第２実施形態の構成およびその動作は、図１を参照して説明した第１実施形態と基本的に同一であるのでここでの構成の詳細な説明は省略するが、第２実施形態では、光源１が図４に示すように、光ビーム出射窓幅ＷＬｓを有する電流狭窄型のＬＥＤであり、また、スリット開口部１０２の、スケール２の移動方向における開口幅が、以下に述べるような実効的な開口幅Ｗｓ （図５参照）となっている点が第１実施形態と比較して異なる点である。
【００８０】
電流狭窄型のＬＥＤは、通常のＬＥＤがＬＥＤ全面で発光するのに対し、あるエリアのみで発光するため、単位立体角あたりの光強度が大きく、同じ光強度の光ビームでスケールを照射したい場合、より小さなパワーとすることが可能となるため、光学式エンコーダを効率良く動作させることが可能である。
【００８１】
本実施形態では、式（１′）において、ｚ２とｚ３とが等しくなるようにスリット１００とスケール２、及び光検出器３が配置されている。従って、式（２′）より、ｐ２′＝ｐ２０＝２×ｐ１となる。
【００８２】
光源１の光ビーム出射窓幅ＷＬｓは、スケール２のスケールピッチｐ１と比較して大きなものとなっており、一方、スリット開口部１０２の開口幅Ｗｓ はスケールピッチｐ１の奇数倍とされている。
【００８３】
ここで、光ビーム出射窓幅ＷＬｓがスリットピッチｐ１より大きな光源１を用い、スリット１００がない場合のタルボットイメージについて図６を参照して説明する。
【００８４】
光源１が光ビーム出射窓幅ＷＬｓを有する場合、出射窓上に複数の点光線がおかれているものと考えることが出来る。図６は、光源１の出射窓上に距離ｐ１離れた二つの点光源１−Ｌおよび１−Ｒによるタルボットイメージを示した図である。図６に示されるように、点光源１−Ｒによるタルボットイメージ７−Ｒの明部と点光源１−Ｌによるタルボットイメージ７−Ｌの暗部が重なり合っており、また、点光源１−Ｒによるタルボットイメージ７−Ｒの暗部と点光源１−Ｌによるタルボットイメージ７−Ｌの明部が重なり合っているため、結果として両点光源１−Ｌ，１−Ｒによるタルボットイメージは互いに打ち消しあってしまうこととなる。
【００８５】
つまり、光源１の出射窓部上の仮想的な二つの点光源間の距離がスケールピッチｐ１の場合には、互いに打ち消し合ってしまうため、タルボットイメージの形成に寄与しなくなる。理論的には、仮想的な点光源の間隔が光ビームの周期ｐ１の偶数倍となるとき、光源の光ビーム出射窓上の全ての点について、ｐ１の間隔となる点を見いだすことが出来るため、タルボットイメージは完全に消滅することとなる。逆に、ｐ１の奇数倍となるときは、タルボットイメージを打ち消しあわない成分が残ることになる。
【００８６】
次に、スケールピッチｐ１の奇数倍の開口幅Ｗｓ を有するスリット１００が図１のように挿入された、本発明の第２実施形態態の構成について考える。この場合、光源１から出射された光ビームのうち、スリット１００のスリット開口部１０２を通過した光ビームのみがスケール２に向かうこととなる。このとき、このスリット開口部１０２を仮想的な光源と見なすことが出来る。このスリット開口部１０２はスケールピッチｐ１の奇数倍の幅を有しているため、この光源としてのスリット開口部１０２を構成する複数の仮想的な点光源は、互いにタルボットイメージを打ち消し合う点光源を除いたとしても、互いに打ち消しあう点光源を見いだせない点光源の集まりが幅ｐ１だけ存在することになる。このため、十分なコントラストのタルボットイメージを形成することが可能な構成となっている。
【００８７】
ところで、互いにうち消し合うことでタルボットイメージの形成に寄与しない光ビームは、光検出器３にバックグランド光として入射するため、検出信号のバックグランドを押し上げる結果となり、光検出器３が検出するタルボットイメージの相対的なコントラストを低下させる原因となる。光ビーム出射窓幅ＷＬｓがスケールピッチｐ１と比較して十分に大きくなると、前述のようにバックグランドが高くなるため、光検出器３が検出するタルボットイメージの明暗パターンのコントラストは非常に小さくなり、望ましい構成とはいえない。実用的にはスリット開口部１０２の開口幅Ｗｓ をスケールピッチｐ１の数倍程度とすることで、コントラストの大きなタルボットイメージの明暗パターンを形成することが可能となる。
【００８８】
また、光源１から出射される光ビームが、例えばガウス分布に従うビームプロファイルを有する光源のように光軸上に比べて周辺部の強度が小さい場合には、スリット１００を通過する光ビームは、必ずしも均一とはならず、光強度に分布を有するため、スリット開口部１０２の開口幅Ｗｓ はスケールピッチｐ１の２倍よりやや大きな場合にタルボットイメージのコントラストは最小となる。
【００８９】
本実施形態においては、式（１′）における、ｚ２とｚ３が等しい場合、つまり、タルボットイメージのピッチｐ２′がスケールピッチｐ１の２倍の場合について示したが、より一般的な説明を、図７を参照して説明する。
【００９０】
光源１の光ビーム出射窓部上の仮想的な点光源から出射された光ビームは、スケール２に照射され、光検出器３の受光面上にタルボットイメージを形成する。図７は、スケール２を光源１に対して固定した場合の、光検出器３の受光面上に形成されるタルボットイメージの明暗パターンの位置を示したものである。ある点から出射された光ビームは、スケール２上のある開口部を通過して光検出器３の受光面に到達する。このとき、光源１の波長、スリット１００とスケール２との距離ｚ３、スケール２と光検出器３との距離ｚ２、スケール２のピッチｐ１が式（１′）の関係を満たしていれば光検出器３の受光面上にタルボットイメージを形成する。
【００９１】
いま、スリット開口部１０２上のある点Ｐから出射された光ビームは、スケール２上のある開口部を通過して、光検出器３の受光面上の点Ｔにタルボットイメージのピークを形成する。この点光源Ｐによるタルボットイメージのピッチｐ２′は式（２′）より計算されるピッチで、光検出器３の受光面上には図のように周期的に明暗パターンが形成される。次に、この光源Ｐから距離Ｗ２だけ離れた光源Ｐ′から出射された光ビームは、スケール２上の同じ開口部を通過して、光検出器３上に形成されたタルボットイメージの、光源ｐによって形成されたタルボットイメージの、隣のピークの位置Ｔ′に到達したとする。この光源Ｐと光源Ｐ′により形成されたタルボットイメージは全く重なっており、互いに強め合う。このときの関係は、式（４）の通りである。
【００９２】
Ｗ２＝Ｐ２′×ｚ３／ｚ２＝ｐ１×（ｚ２＋ｚ３）／ｚ２ …（４）
次に、前記点Ｔと前記点Ｔ′との間の位置にタルボットイメージのピークを形成するような光源１の位置を考える。図７から明らかなように、このような光源１の位置点Ｐ″は、点Ｐと点Ｐ′の中間の位置となる。つまり、図のＷ１は、以下の式により与えられる。
【００９３】

つまり、本実施形態の、より一般的な場合としては、スリット開口部１０２の開口幅Ｗｓは、以下の範囲であれば良いことになる。
【００９４】

ここで、Ｗｓが式（６）の範囲からはずれた場合、信号レベルは劣化するものの直ちに使用不能なレベルにまでは劣化しない。従って、Ｗｓは式（６）の範囲がより好適であるが、ここから若干はずれた場合でも、その機能を失するものではない。従って、Ｗｓはおおよそこの範囲に含まれていれば良いことになる。
【００９５】
また、本実施形態のように、ｚ２＝ｚ１の場合には、式（６）は、以下のようになる。
【００９６】
ｐ１×（２ｎ−１．５）≦Ｗｓ ≦ｐ１×（２ｎ−０．５） …（６′）
ここで、ｎは自然数である。
【００９７】
上記のように構成することで、よりコントラストの大きなタルボットイメージを形成することが可能となり、光検出器３からの出力信号も強度的に大きな信号とする事が出来る。
【００９８】
なお、本実施形態では、スリット開口部１０２として方形のスリット１００の例を示したが、円形のものや、楕円形のもの、四角形を含む多角形のものなど、上記主旨を逸脱しない範囲での変形は可能である。
【００９９】
（第３実施形態）
以下に、本発明の第３実施形態に係る光学式エンコーダについて説明する。第３実施形態の構成およびその動作は、図１を参照して説明した第１実施形態と基本的に同一であるのでここでの構成の詳細な説明は省略するが、第３実施形態では、光源１が、図４に示されるような、光ビーム出射窓幅ＷＬｓを有する電流狭窄型のＬＥＤであり、また、スリット１００のスリット開口部１０２が、スリットピッチｐｓで配列された複数個のスリット開口部（図８参照）から構成されている点が第１実施形態と比較して異なる点である。
【０１００】
本実施形態では、スリット開口部１０２のスリットピッチｐｓは、スケールピッチｐ１の略整数倍であり、かつ、タルボットイメージのピッチｐ２の略整数倍と設定されている。
【０１０１】
図９に、スリットピッチｐｓだけ離れた二つのスリットから出射される光ビームにより形成されるタルボットイメージの重なりのイメージを示す。図９に示すように、スリットピッチｐｓをスケールピッチｐ１の略整数倍とし、かつタルボットイメージのピッチｐ２の略整数倍となるように設定することで、スリット開口部１０２−Ｒを通過した光ビームにより形成されるタルボットイメージ７−Ｒと、スリット開口部１０２−Ｌを通過した光ビームにより形成されるタルボットイメージ７−Ｌの明暗パターンは互いに重なり合うため、より光強度の大きなタルボットイメージが光検出器３上に形成する事が可能となる。
【０１０２】
なお、ｚ１とｚ２とｚ３が近似的に等しいとおけるような場合、具体的には、スケール２と光検出器３の距離に比較して、光源１の厚さ及びスリット１００と光源１の距離が十分に小さい場合は、式（１′）および（２′）より、スリットピッチｐｓはタルボットイメージのピッチｐ２の略整数倍、つまり、ｐ１の略偶数倍であればよいこととなる。
【０１０３】
ここで、より一般的には、式（４）に示されるＷ２の整数倍の位置にスリット１００が配置されれば、つまりｎを自然数として、スケール２のピッチｐ１の、ｎ×（ｚ２＋ｚ３）／ｚ２倍の位置にスリット１００を配置すれば良いことになる。
【０１０４】
また、図８ではスリット開口部１０２を４個設けた例を示したが、２個以上の複数で有ればいくつでもよく、また、スリット開口部１０２の形状も図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、スリット開口部１０２が円形のもの（図１０（ａ））や方形のもの、多角形のものや楕円など様々なものが可能である。また、それらを図１０（ｂ）に示すように２次元的に配列したもの、さらに、光源１から出射される光ビームによるスリット１００上のビームスポット１０４の形状に合わせてそれらを配置したもの（図１１（ａ），（ｂ））など様々な変形が可能である。
【０１０５】
さらに、スリット１００としては、金属等遮蔽部材に貫通孔を設けたタイプや、ガラス板上に製膜した金属をエッチング等の手法によりパターニングしたタイプなど、光ビームの所定の部分を透過するような部材で有ればどのようなものでも構わない。
【０１０６】
本実施形態のように構成することで、光源１から出射される光ビームの強度を大きくすることなく、光源１から出射される光ビームをより効率的に利用することで光検出器３に入射するタルボットイメージの光強度を大きくすることが可能となる。
【０１０７】
（第４実施形態）
以下に、本発明の第４実施形態について説明する。本発明の第４実施形態は、光検出器の受光面上に形成される光強度パターンの周期ｐ２に応じて光検出器の出力信号のレベルを調整する方法に関する。図１２はこのような調整方法の詳細を説明するためのフローチャートである。まず、光検出器の受光面上に形成される光強度パターンを検出する（ステップＳ１）。次に、光検出器により出力される、光強度パターンの周期ｐ２に応じた出力信号のレベルの検出を行なう（ステップＳ２）。次に、検出した出力信号のレベルが所定の範囲内に含まれているか否かを判断する（ステップＳ３）。ここでの判断がＮＯの場合には、スケール及び光検出器に対して光学素子の位置を変化させることにより、仮想的な点光源の位置からスケールまでの距離を変化させて、光学素子の位置を調整し（ステップＳ４）、ステップＳ１に戻って上記した処理を繰り返す。そして、ステップＳ３での判断がＹＥＳになったときに処理を停止する。
【０１０８】
ここでの光検出器は、あらかじめ設定された特定の周期（ｐ２０）を有する光強度パターンを検出するように構成されている。従って、周期ｐ２がこの設定された周期ｐ２０と異なっている場合には効率の良い検出を行うことができず、その結果、出力信号のレベルが低下する。そこで、上記したステップＳ４において、光学素子の位置を調整することにより出力信号のレベルを改善することができる。
【０１０９】
（第５実施形態）
以下に、本発明の第５実施形態について説明する。図１３は、本発明の第５実施形態に係る光学式エンコーダの構成を示す図である。図１３に示す光学式エンコーダは透過型の光学式エンコーダであり、光源１とスケール２との間に凹レンズ２００を設けたことを特徴とする。光源１は、波長λの光ビームを出射する電流狭窄型のＬＥＤであり、スケール２は、スケールピッチｐ１を有するスケール、凹レンズ２００は光源１から出射された光ビームのビーム拡がり角を所定の角度に調整する光学素子である。
【０１１０】
今、光源１から出射された光ビームは、凹レンズ２００に向けて照射され、この光ビームは凹レンズ２００を通過した後、スケール２に向かって照射される。このとき、凹レンズ２００を通過した光ビームは、この凹レンズ２００によってそのビーム拡がり角が大きくなり、Ｘで示す仮想的な点光源位置２０２に光源が有ると見なすことが出来る。タルボットイメージは、式（１）に示される様に、光源１と、スケール２と、光検出器３の位置関係が所定の関係にあるときに光検出器３上に形成されることが知られている。このタルボットイメージは、光源１から出射された光ビームが、光検出器３上に到達したときの、光ビームの経路ごとの位相差によって明暗パターンを形成するため、光ビームの経路に凹レンズ２００が挿入された場合は凹レンズ２００の屈折率や屈折角など、凹レンズ２００を経由した光ビームの経路において光源１とスケール２の距離を算出しなければならないが、近似的に、光源１、スケール２、光検出器３の位置関係は変わらないと見なすことが出来る。また、実践的には凹レンズ２００がない場合の光源１とスケール２および光検出器３を配置して、必要に応じて光検出器３からの出力信号に基づき各部材の位置関係を調整すればよい。
【０１１１】
一方、光検出器３上に投影されるタルボットイメージの明暗パターンのピッチは、点光源から出射された光ビームがスリットを通過して光検出器３上に投影される位置に明パターンまたは暗パターンを形成するため、点光源とスケールと光検出器の位置関係から、式（２）に従って計算される。ここで、本実施形態においては、仮想的な点光源の位置は図１３の２０２で示される位置であるため、以下に示す式（４）によって決められる。
【０１１２】
ｐ２″＝ｐ１（ｚ４＋ｚ２）／ｚ４ …（７）
ここで、
ｚ４：凹レンズ２００による仮想的な点光源位置２０２とスケール２上の回折格子を形成した面の距離であり、仮想的な点光源位置２０２は、一般に凹レンズ２００の後側焦点位置を意味している。
【０１１３】
ｐ２″：凹レンズ２００を設けた場合の光検出器３上に投影されるタルボットイメージの明暗パターンのピッチである。
【０１１４】
その他のパラメータは第一の実施形態と同様である。
【０１１５】
このように構成することで、光源１とスケール２と光検出器３の位置関係を変化させることなく、タルボットイメージの拡大率を変化させることが可能となり、ピッチのより小さなスケール２を使用したり、同じフォトディテクタのピッチであってもより高分解能な光学式エンコーダを構成することが可能となる。
【０１１６】
ここで、本実施形態では、凹レンズ２００を用いた例を示したが、レンズの後側焦点位置が光源１とスケール２の間に有るような凸レンズを用いた場合でも、同様の効果を得ることが可能である。
【０１１７】
なお、本実施形態では透過型の光学式エンコーダについて説明したが、図１４に示すように、光源１から出射した光ビームをスケール２０によって反射させ、光源１と同じ側に配置した光検出器３により当該反射ビームを検出するようにした反射型の光学式エンコーダについても全く同様の構成が可能である。３５は光検出器３の受光部３５である。
【０１１８】
このように反射型の光学式エンコーダにおいては、スケール２０からの光ビームは光検出器３上に形成された受光部３５の実効的な受光感度を有する部分に入射するが、この光ビームの経路を凹レンズ２００が遮らないようにすることが望ましい。
【０１１９】
（第６実施形態）
以下に、本発明の第６実施形態について説明する。第６実施形態においては、図１３を参照して説明した第５実施形態における凹レンズ２００が、凸レンズと凹レンズ２枚の組み合わせになっている点で異なっており、それ以外は図１３に示される第５実施形態と同様の構成となっている。
【０１２０】
図１５は、第６実施形態に係る光学式エンコーダの光源１の近傍を示した図である。光源１から出射された光ビームはコリメートレンズ２００−１によって平行ビームとされて凹レンズ２００−２に向かう。凹レンズ２００−２に入射した平行ビームはここで所定のビーム拡がり角となり、スケール２に向かって照射される。これ以降の動作は第５実施形態と同様である。
【０１２１】
このように構成した場合、凹レンズ２００−２が図の矢印方向に移動した場合でも、凹レンズ２００−２に入射する光ビームは平行光とされているため変化はなく、結果として凹レンズ２００−２を通過した光ビームの拡がり角や光ビームの強度分布に変化がなく、より安定した光ビームがスケール２に向かって照射されることとなる。
【０１２２】
このように構成することで、光源１のビーム拡がり角が不安定な場合でも、スケール２に照射される光ビーム拡がり角は安定したものとなり、結果として光検出器３から出力される信号もより安定になる。
【０１２３】
なお、本実施形態ではレンズを凹レンズと凸レンズ１枚ずつ計２枚を用いた場合を示したが、３枚以上用いることで、仮想的な点光源２０２の位置を先端のレンズよりスケール２側としたり、光源１から出射された光ビームが光検出器３に到達するまでの各光路ごとの位相差を調整することで、タルボットイメージのコントラストをより高めることが可能である。
【０１２４】
（第７実施形態）
以下に、本発明の第７実施形態について説明する。第７実施形態においては、図１３で説明した第５実施形態に係る光学式エンコーダの凹レンズが、図１６に示されるような１軸方向にのみレンズ作用を有する棒状レンズとなっている点で第４実施形態と異なっているが、それ以外の点では図１３で説明した第５実施形態と同様の構成となっている。
【０１２５】
図１６に示されるレンズ２００−３は、スケール２の移動方向ではレンズ作用を有しているが、スケール２のパターン面と平行な面内でありスケール２の移動方向とは直交する方向においてはレンズ作用を有していない棒状の凹レンズとなっている。
【０１２６】
このように構成することで、図１７の（ａ），（ｂ）に示されるように光源１から出射した光ビームはレンズ２００−３により、スケール移動方向において所望のビーム拡がり角に広げられるため、光検出器３上に投影されるタルボットイメージの明暗パターンの拡大率を所定の値に設定することが可能となる。また、スケール２のパターン面と平行な面内にありスケール２の移動方向とは直交する方向においては、ビーム拡がり角は広げられないため、光検出器３上の受光部４に入射する光ビームのビーム強度を低下させることがないため、光検出器３が検出する信号強度を十分に得ることが可能な構成となっている。
【０１２７】
なお、本実施形態においては一方向にレンズ作用を有し、それと直交する方向にはレンズ作用を有さないシリンドリカルレンズを用いているが、図１８、１９（ａ），（ｂ）に示されるような、一方向においては凹レンズ的に働き、それと直交する方向においては凸レンズ的に働くシリンドリカルレンズ２００−４を用いることも可能である。このように構成することで、本実施形態の機能を損なうことなく、スケール２のパターン面と平行な面内にありスケール２の移動方向とは直交する方向において、光検出器３上の受光部４に集光的に光ビームを入射させることが可能となるため、光検出器３が検出する信号強度をさらに大きくすることが可能となる。
【０１２８】
（第８実施形態）
以下に、本発明の第８実施形態について説明する。図２０は、本発明の第８実施形態に係る光学式エンコーダの構成を示す図である。本実施形態では、光源１とスリット１００の間にコリメートレンズ２００−５が挿入されている点が第１実施形態と異なっているが、それ以外の点では第１実施形態と同様の構成となっている。
【０１２９】
この実施形態では、光源１から出射された光ビームは、コリメートレンズ２００−５によって平行ビームとされる。そして、この平行ビームはスリット１００に照射され、スリット１００の開口部１０２を通過した光ビームはスケール２に向かって照射される。このとき、仮想的な点光源の位置はスリットの開口部１０２となる。
【０１３０】
ここで、本実施形態においては、光源を出射した光ビームはレンズ２００−５によって平行光とされているため、スリット１００を図の上下方向に移動させても、スリット開口部１０２を通過する光ビームの強度は一定である。そのため、スリット１００を移動させても光検出器３が検出するタルボットイメージの光強度は変化しない構成となっている。
【０１３１】
従って、本実施形態のように構成する事で、スリット１００を図の上下方向に移動させることで、光検出器３上に形成されるタルボットイメージの拡大率を調整した場合でも、光検出器３の受光部４が検出するタルボットイメージの光強度は一定となり、より安定して拡大率を調整する事が可能となる。
【０１３２】
なお、本実施形態では、レンズ２００−５を用いて、光源１から出射される光ビームを平行ビームとしたが、図２１（ａ）に示すようにスリット開口部１０２近傍で集光するように構成することで、光検出器３が検出するタルボットイメージの光強度を増加させることも可能であるし、また、図２１（ｂ）に示すように、平行ビームをやや絞ったビーム形状とすることで、スリット１００の調整許容度の増加と、タルボットイメージの光強度の増加の両立を図ることも可能である。
【０１３３】
（第９実施形態）
以下に、本発明の第９実施形態について説明する。本発明の第９実施形態は、基本的には図２５に示す構成と同一であるが、ここでの光源１は、図４に示されるような、ＷＬｓなる光ビーム出射窓幅を有している電流狭窄型のＬＥＤである。ここで、光ビーム出射窓幅ＷＬｓは、式（６）に従って、以下のような範囲とされるものである。
【０１３４】
【数１】

【０１３５】
このように構成することで、光源１の光ビーム出射窓幅ＷＬｓは必ずしもスケールピッチｐ１より小さくなくても良くなり、同じ光源１を用いても、上記式（８）を満たす広い範囲のスケールピッチｐ１を有するスケール２に対して、使用することが可能となる。
【０１３６】
また、ｚ１＝ｚ２の場合には、式（８）は、以下のようになる。
【０１３７】
ｐ１×（２ｎ−１．５）≦ＷＬｓ ≦ｐ１×（２ｎ−０．５） …（８′）
また、スケール２の移動方向の光ビーム出射窓幅ＷＬｓを、ｐ１×（ｚ１＋ｚ２）／（２×ｚ２）以下とするか、または、おおよそｐ１×（２ｎ−１）×（ｚ１＋ｚ２）／（２×ｚ２）とすることで、よりコントラストの高いタルボットイメージを形成する事が可能となる。
【０１３８】
ここで、ＷＬｓが式（８）の範囲からはずれた場合、信号レベルは劣化するものの直ちに使用不能なレベルにまでは劣化しない。従って、ＷＬｓは式（８）の範囲がより好適であるが、ここから若干はずれた場合でも、その機能を失するものではない。従って、ＷＬｓはおおよそこの範囲に含まれていれば良いことになる。
【０１３９】
さらに、本実施形態において、光源を面発光型の半導体レーザとすることでも同様の効果を得ることが可能となる。
【０１４０】
また、スケールピッチｐ１の（ｚ１＋ｚ２）／ｚ２×ｎ倍の位置に複数の光ビーム出射窓を有する発光素子を用いることで、よりコントラストの大きいタルボットイメージを得ることが可能となる。特に、ＬＥＤや面発光型の半導体レーザのような面発光素子では、アレイを作製しやすく、また、各光ビーム出射窓部の位置関係を正確に作製出来るので、特に望ましい。
【０１４１】
（第１０実施形態）
以下に、本発明の第１０実施形態について説明する。本発明の第１０実施形態は、光源から出射された光ビームのビーム広がり角を所定の値にする光学素子を用いたときの光強度パターンの周期ｐ２に応じて、光検出器の出力信号のレベルを調整する方法に関する。図２２はこのような調整方法の詳細を説明するためのフローチャートである。まず、光源からの光ビームのビーム拡がり角を所定の値に設定する（ステップＳ１０）。より詳細には、まず、所定のビーム拡がり角設定用の光学素子を選択する（ステップＳ１０−１）。次に、選択した光学素子を光源とスケールとの間に設置する（ステップＳ１０−２）。次に、設定されたビーム拡がり角から仮想的な点光源の位置を算出する（ステップＳ１１）。次に、光検出器の受光面上に形成される光強度パターンを検出する（ステップＳ１２）。次に、光検出器により出力される光強度パターンの周期ｐ２に応じて出力信号の信号レベルを検出する（ステップＳ１３）。次に、検出した出力信号の信号レベルが所定の範囲内に含まれているか否かを判断する（ステップＳ１４）。ここでの判断がＮＯの場合には、スケール及び光検出器に関する光学素子の位置を変化させることにより、仮想的な点光源の位置からスケールまでの距離を変化させて、光学素子の位置を調整し（ステップＳ１５）、ステップＳ１０に戻って上記した処理を繰り返す。そして、ステップＳ１４での判断がＹＥＳになったときに処理を停止する。
【０１４２】
なお、これまで述べてきたすべての実施形態において、可干渉光源には、面発光レーザや、ストライプ型の半導体レーザや電流狭窄型のＬＥＤや、通常のＬＥＤなどあらゆる可干渉光源を使用することが可能である。
【０１４３】
また、本発明のいくつかの実施形態では、スリット１００と光源１の光ビーム出射窓部とは一定の距離だけ離して配置されているものとして記載したが、スリット１００は光源の出射窓部に接していてもよく、さらには、光源の上部電極等によりパターニングされていても構わない。
【０１４４】
また、本発明の実施形態に記載されているレンズは、ガラスやプラスティックなどを整形した一般的なレンズはもちろん、フレネル型の回折レンズなどを用いることも可能である。
【０１４５】
本発明は、発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々多くの変形や修整が可能であり、上に説明した実施形態はその一例に過ぎない。
【０１４６】
なお、本発明の要旨は以下のようにまとめることができる。
【０１４７】
１． 可干渉光源と、
周期的な光学パターンを有し、前記可干渉光源に対して相対的に変位するスケールと、
前記可干渉光源から出射され前記スケールを経由した光ビームを検出するための光検出器とを有する光学式エンコーダであって、
前記可干渉光源と前記スケールとの距離をｚ１、前記スケールと前記光検出器との距離をｚ２，前記スケールが有する前記周期的な光学パターンのピッチをｐ１としたときに、前記可干渉光源のスケール移動方向における光ビーム出射窓幅ＷＬｓは、ｐ１×（ｚ１＋ｚ２）／（２×ｚ２）以下であることを特徴とする光学式エンコーダ。
【０１４８】
上記のように構成することで、スケールが有する周期的な光学パターンのピッチ、すなわちスケールピッチと、光源の光ビーム出射窓幅とを最適化することが可能となり、様々な光ビーム出射幅を有する可干渉光源を用いてコントラストの大きい回折干渉パターンを光検出器上に形成することが可能となり、より分解能の高いエンコーダを実現することができる。
【０１４９】
なお、１．の構成の構成の詳細については、少なくとも第８の実施形態に述べられている。
【０１５０】
２． 可干渉光源と、
周期的な光学パターンを有し、前記可干渉光源に対して相対的に変位するスケールと、
前記可干渉光源から出射され前記スケールを経由した光ビームを検出するための光検出器とを有する光学式エンコーダであって、
前記可干渉光源と前記スケールとの距離をｚ１、前記スケールと前記光検出器との距離をｚ２，前記スケールが有する前記周期的な光学パターンのピッチをｐ１、ｎを自然数としたときに、前記可干渉光源のスケール移動方向における光ビーム出射窓幅ＷＬｓは、おおよそｐ１×（２ｎ−１）×（ｚ１＋ｚ２）／（２×ｚ２）で表されることを特徴とする光学式エンコーダ。
【０１５１】
上記のように構成することで、スケールが有する周期的な光学パターンのピッチ、すなわちスケールピッチと、光源の光ビーム出射窓幅とを最適化することが可能となり、様々な光ビーム出射幅を有する可干渉光源を用いてコントラストの大きい回折干渉パターンを光検出器上に形成することが可能となり、より分解能の高いエンコーダを実現することができる。
【０１５２】
なお、上記２．の構成の構成の詳細については、少なくとも第８の実施形態に述べられている。
【０１５３】
３． 可干渉光源と、
周期的な光学パターンを有し、前記可干渉光源に対して相対的に変位するスケールと、
前記可干渉光源から出射され前記スケールを経由した光ビームを検出するための光検出器とを有する光学式エンコーダであって、
前記可干渉光源と前記スケールとの距離をｚ１、前記スケールと前記光検出器との距離をｚ２，前記スケールが有する前記周期的な光学パターンのピッチをｐ１、ｎを自然数としたときに、前記可干渉光源のスケール移動方向における光ビーム出射窓幅ＷＬｓは、ｐ１×（２ｎ−１．５）×（ｚ１＋ｚ２）／（２×ｚ２）≦ＷＬｓ≦ｐ１×（２ｎ−０．５）×（ｚ１＋ｚ２）／（２×ｚ２）の関係を満たすことを特徴とする光学式エンコーダ。
【０１５４】
上記のように構成することで、スケールが有する周期的な光学パターンのピッチ、すなわちスケールピッチと、光源の光ビーム出射窓幅とを最適化することが可能となり、様々な光ビーム出射幅を有する可干渉光源を用いてコントラストの大きい回折干渉パターンを光検出器上に形成することが可能となり、より分解能の高いエンコーダを実現することができる。
【０１５５】
なお、上記３．の構成の詳細については、少なくとも第８の実施形態に述べられている。
【０１５６】
４． 可干渉光源と、
周期的な光学パターンを有し、前記可干渉光源に対して相対的に変位するスケールと、
前記可干渉光源から出射され前記スケールを経由した光ビームを検出するための光検出器とを有する光学式エンコーダであって、
前記スケールが有する前記周期的な光学パターンのピッチをｐ１、ｎを自然数としたときに、前記可干渉光源のスケール移動方向における光ビーム出射窓幅ＷＬｓは、（２ｎ−１．５）×ｐ１≦ＷＬｓ≦（２ｎ−０．５）×ｐ１の関係を満たすことを特徴とする光学式エンコーダ。
【０１５７】
上記のように構成することで、スケールが有する周期的な光学パターンのピッチ、すなわちスケールピッチと、光源の光ビーム出射窓幅とを最適化することが可能となり、様々な光ビーム出射幅を有する可干渉光源を用いてコントラストの大きい回折干渉パターンを光検出器上に形成することが可能となり、より分解能の高いエンコーダを実現することができる。
【０１５８】
なお、上記４．の構成の詳細については、少なくとも第８の実施形態に述べられている。
【０１５９】
５． 可干渉光源と前記スケールとの距離をｚ１、前記スケールと前記光検出器との距離をｚ２、前記スケールが有する前記周期的な光学パターンのピッチをｐ１、ｎを自然数としたときに、前記可干渉光源は、前記光学パターンのピッチｐ１の（ｚ１＋ｚ２）／ｚ２×ｎ倍の位置に、前記スケールの移動方向に複数の光ビーム出射窓を有することを特徴とする１．から４．のいずれかに記載の光学式エンコーダ。
【０１６０】
上記のように構成することで、複数の出射窓を有する可干渉光源を用いてコントラストの大きい回折干渉パターンを光検出器上に形成することが可能となり、より分解能の高いエンコーダを実現することができる。
【０１６１】
なお、上記５．の構成の詳細については、少なくとも第８の実施形態に述べられている。
【０１６２】
６． 可干渉光源と、
周期的な光学パターンを有し、前記可干渉光源に対して相対的に変位するスケールと、
前記可干渉光源から出射され前記スケールを経由した光ビームを検出するための光検出器を有する光学式エンコーダであって、
前記可干渉光源と前記スケール間に、前記光ビームの所定の部分を透過する光学素子を有することを特徴とする光学式エンコーダ。
【０１６３】
上記のように構成することで、光源の幅に対してより小さなスケールピッチ（スケールが有する周期的な光学パターンのピッチ）をもつスケールを使用することが可能となり、光検出器上に形成される回折干渉パターンのコントラストも大きくなるため、より分解能の高いエンコーダを実現することが可能となる。
【０１６４】
なお、上記６．の構成の詳細については、少なくとも第１から第３の実施形態に述べられている。
【０１６５】
７． 前記可干渉光源と、前記スケールと、前記光検出器とは、タルボットイメージを検出可能な所定の関係に配置されていることを特徴とする１．から６．のいずれかに記載の光学式エンコーダ。
【０１６６】
上記のように構成することで、光源の幅に対してより小さなスケールピッチのスケールを使用することが可能となり、形成されるタルボットイメージのコントラストも大きくなるため、より分解能の高いエンコーダを実現することが可能となる。
【０１６７】
なお、上記７．の構成の詳細については、少なくとも第１から第３の実施形態に述べられている。
【０１６８】
８． 前記可干渉光源と前記スケールとの距離をｚ１、前記スケールと前記光検出器との距離をｚ２、前記スケールが有する前記周期的な光学パターンのピッチをｐ１、前記可干渉光源から出射される前記光ビームの波長をλ、ｎを整数としたときに、前記光学式エンコーダは、おおよそ、１／ｚ１＋１／ｚ２＝λ／（ｎ（ｐ１）^２）の関係を満たすように構成されていることを特徴とする１．から６．のいずれかに記載の光学式エンコーダ。
【０１６９】
上記のように構成することで、光源の幅に対してより小さなスケールピッチのスケールを使用することが可能となり、形成されるタルボットイメージのコントラストも大きくなるため、より分解能の高いエンコーダを実現することが可能となる。
【０１７０】
なお、上記８．の構成の詳細については、少なくとも第１から第３及び第８の実施形態に述べられている。
【０１７１】
９． 前記可干渉光源から出射された光ビームの所定の部分を通過させる光学素子と、前記スケールと、前記光検出器とは、タルボットイメージの動きを検出可能な所定の位置関係に配置されていることを特徴とする６．に記載の光学式エンコーダ。
【０１７２】
上記のように構成することで、可干渉光源の幅に対してより小さなスケールピッチのスケールを使用することが可能となり、形成されるタルボットイメージのコントラストも大きくなるため、より分解能の高いエンコーダを実現することが可能となる。
【０１７３】
なお、上記９．の構成の詳細については、少なくとも第１から第３の実施形態に述べられている。
【０１７４】
１０． 前記可干渉光源から出射された光ビームの所定の部分を通過させる光学素子と前記スケールとの距離をｚ３、前記スケールと前記光検出器との距離をｚ２、前記スケールが有する前記周期的な光学パターンのピッチをｐ１、前記可干渉光源から出射される前記光ビームの波長をλ、ｎを整数としたときに、前記光学式エンコーダは、おおよそ、１／ｚ２＋１／ｚ３＝λ／（ｎ（ｐ１）^２）の関係を満たすように構成されていることを特徴とする６．に記載の光学式エンコーダ。
【０１７５】
上記のように構成することで、光源の幅に対してより小さなスケールピッチのスケールを使用することが可能となり、形成されるタルボットイメージのコントラストも大きくなるため、より分解能の高いエンコーダを実現することが可能となる。
【０１７６】
なお、上記１０．の構成の詳細については、少なくとも第１から第３の実施形態に述べられている。
【０１７７】
１１． 前記可干渉光源から出射された光ビームが前記スケールを経由して前記光検出器の受光面上に照射された時に形成される前記受光面上の光強度パターンの周期をｐ２としたときに、前記光検出器は、前記光強度パターンの所定の位相部分を検出する複数の受光部を有することを特徴とする１．から１０．のいずれかに記載の光学式エンコーダ。
【０１７８】
上記のように構成することで、光源の幅に対してより小さなスケールピッチのスケールを使用して形成される、タルボットイメージの所定の位相部分を複数の受光部により検出する事が可能となるため、光検出器の受ける信号光の強度を大きくすることが可能となり、より安定した光学式エンコーダを実現することが可能となる。
【０１７９】
なお、上記１１．の構成の詳細については、少なくとも第１から第３の実施形態に述べられている。
【０１８０】
１２． 前記スケールと前記光検出器との距離をｚ２、前記スケールが有する前記周期的な光学パターンのピッチをｐ１、前記可干渉光源から出射された光ビームの所定の部分を通過させる光学素子と前記スケールとの距離をｚ３としたときに、前記光検出器の受光部は、前記光検出器の受光面上に形成される前記光強度パターンの周期ｐ２が、おおよそｐ１×（ｚ２＋ｚ３）／ｚ３である光強度パターンの所定の位相部分を検出可能に構成されていることを特徴とする６．から１１．のいずれかに記載の光学式エンコーダ。
【０１８１】
上記のように構成することで、光源から出射された光ビームの所定の部分を通過させる光学素子を用いた場合の、より拡大されたタルボットイメージの所定の位相部分を複数の受光部により検出する事が可能となるため、光検出器の受ける信号光の強度を大きくすることが可能となり、より安定した高分解能な光学式エンコーダを実現することが可能となる。
【０１８２】
なお、上記１２．の構成の詳細については、少なくとも第１から第３の実施形態に述べられている。
【０１８３】
１３． 前記可干渉光源から出射された光ビームの所定の部分を通過させる光学素子は、前記スケールの移動方向に短軸を有するスリットであることを特徴とする６．から１２．のいずれかに記載の光学式エンコーダ。
【０１８４】
上記のように構成することで、光源から出射された光ビームの所定の部分を通過させるスリットを用いた場合の、より拡大されたタルボットイメージを光検出器上に形成する事が可能となり、より安定した高分解能な光学式エンコーダを実現することが可能となる。
【０１８５】
なお、上記１３．の構成の詳細については、少なくとも第１から第３の実施形態に述べられている。
【０１８６】
１４． 前記スケールと前記光検出器との距離をｚ２、前記スリットと前記スケールとの距離をｚ３、前記スケールが有する前記周期的な光学パターンのピッチをｐ１、ｎを自然数としたときに、前記スリットの、前記スケールの移動方向の実効的な開口幅Ｗｓ は、ｐ１×（ｚ３＋ｚ２）／（２×ｚ２）以下であることを特徴とする１３．に記載の光学式エンコーダ。
【０１８７】
上記のように構成することで、光源から出射された光ビームの所定の部分を通過させるスリットを用いた場合の、より拡大されたタルボットイメージの明暗パターンのコントラストをより高めることが可能となるため、より安定した高分解能な光学式エンコーダを実現することが可能となる。
【０１８８】
なお、上記１４．の構成の詳細については、少なくとも第２実施形態に述べられている。
【０１８９】
１５． 前記スケールと前記光検出器との距離をｚ２、前記スリットと前記スケールとの距離をｚ３、前記スケールが有する前記周期的な光学パターンのピッチをｐ１、ｎを自然数としたときに、前記スリットの、前記スケールの移動方向における実効的な開口幅Ｗｓ は、おおよそｐ１×（２ｎ−１）×（ｚ３＋ｚ２）／（２×ｚ２）で表されることを特徴とする１３．に記載の光学式エンコーダ。
【０１９０】
上記のように構成することで、光源から出射された光ビームの所定の部分を通過させるスリットを用いた場合の、より拡大されたタルボットイメージの明暗パターンのコントラストをより高めることが可能となるため、より安定した高分解能な光学式エンコーダを実現することが可能となる。
【０１９１】
なお、上記１５．の構成の詳細については、少なくとも第２実施形態に述べられている。
【０１９２】
１６． 前記スケールと前記光検出器との距離をｚ２、前記スリットと前記スケールとの距離をｚ３、前記スケールが有する前記周期的な光学パターンのピッチをｐ１、ｎを自然数としたときに、前記スリットの、前記スケールの移動方向の実効的な開口幅Ｗｓ と前記スケールピッチｐ１との関係は、おおよそ、ｐ１×（２ｎ−１．５）×（ｚ３＋ｚ２）／（２×ｚ２）≦Ｗｓ ≦ｐ１×（２ｎ−０．５）×（ｚ３＋ｚ２）／（２×ｚ２）で表されることを特徴とする１３．に記載の光学式エンコーダ。
【０１９３】
上記のように構成することで、光源から出射された光ビームの所定の部分を通過させるスリットを用いた場合の、より拡大されたタルボットイメージの明暗パターンのコントラストをより高めることが可能となるため、より安定した高分解能な光学式エンコーダを実現することが可能となる。
【０１９４】
なお、上記１６．の構成の詳細については、少なくとも第２実施形態に述べられている。
【０１９５】
１７． 前記スケールと前記光検出器との距離をｚ２、前記スリットと前記スケールとの距離をｚ３、前記スケールが有する前記周期的な光学パターンのピッチをｐ１、ｎを自然数としたときに、前記スリットは前記スケールの移動方向に複数の開口部を有し、かつ、前記複数の開口部は前記光学パターンのピッチｐ１の（ｚ３＋ｚ２）／ｚ２×ｎ倍の位置に配置されていることを特徴とする１３．から１６．のいずれかに記載の光学式エンコーダ。
【０１９６】
上記のように構成することで、前記光検出器が受光する信号光の光強度を大きくすることが可能となるため、より安定した高分解能な光学式エンコーダを実現することが可能となる。
【０１９７】
なお、上記１７．の構成の詳細については、少なくとも第３実施形態に述べられている。
【０１９８】
１８． 前記スリットが有する前記スケールの移動方向の実効的な開口幅Ｗｓ は、ｎを自然数として、ｐ１×（２ｎ−１．５）≦Ｗｓ ≦ｐ１×（２ｎ−０．５）の関係を満たすことを特徴とする１３．に記載の光学式エンコーダ。
【０１９９】
上記のように構成することで、光源から出射された光ビームの所定の部分を通過させるスリットを用いた場合の、より拡大されたタルボットイメージの明暗パターンのコントラストをより高めることが可能となるため、より安定した高分解能な光学式エンコーダを実現することが可能となる。
【０２００】
なお、上記１８．の構成の詳細については、少なくとも第２実施形態に述べられている。
【０２０１】
１９． 前記スリットは、前記スケールの移動方向に複数の開口部を有し、前記複数の開口部は、前記光検出器のピッチｐ２の略整数倍の位置に配置されていることを特徴とする１３．または１８．に記載の光学式エンコーダ。
【０２０２】
上記のように構成することで、前記光検出器が受光する信号光の光強度を大きくすることが可能となるため、より安定した高分解能な光学式エンコーダを実現することが可能となる。
【０２０３】
なお、上記１９．の構成の詳細については、少なくとも第３実施形態に述べられている。
【０２０４】
２０． 前記スリットは、前記スケールの移動方向に、前記スケールのピッチｐ１の略整数倍の位置に配置されていることを特徴とする１９．に記載の光学式エンコーダ。
【０２０５】
上記のように構成することで、前記光検出器が受光する信号光の光強度をより大きくすることが可能となるため、より安定した高分解能な光学式エンコーダを実現することが可能となる。
【０２０６】
なお、上記２０．の構成の詳細については、少なくとも第３実施形態に述べられている。
【０２０７】
２１． 前記可干渉光源から出射された光ビームの所定の部分を通過させる光学素子は、円形の開口であることを特徴とする６．から１２．のいずれかに記載の光学式エンコーダ。
【０２０８】
上記のように構成することで、光源から出射された光ビームの所定の部分を通過させる開口を用いた場合の、より拡大されたタルボットイメージを光検出器上に形成する事が可能となり、より安定した高分解能な光学式エンコーダを実現することが可能となる。
【０２０９】
なお、上記２１．の構成の詳細については、少なくとも第１から第３実施形態に述べられている。
【０２１０】
２２． 前記スケールと前記光検出器との距離をｚ２、前記円形の開口と前記スケールとの距離をｚ３、前記スケールが有する前記周期的な光学パターンのピッチをｐ１、ｎを自然数としたときに、前記円形の開口の、前記スケールの移動方向の実効的な開口幅Ｗｓ は、ｐ１×（ｚ３＋ｚ２）／（２×ｚ２）以下であることを特徴とする２１．に記載の光学式エンコーダ。
【０２１１】
上記のように構成することで、光源から出射された光ビームの所定の部分を通過させる開口を用いた場合の、より拡大されたタルボットイメージの明暗パターンのコントラストをより高めることが可能となるため、より安定した高分解能な光学式エンコーダを実現することが可能となる。
【０２１２】
なお、上記２２．の構成の詳細については、少なくとも第２実施形態に述べられている。
【０２１３】
２３． 前記スケールと前記光検出器との距離をｚ２、前記円形の開口と前記スケールとの距離をｚ３、前記スケールが有する前記周期的な光学パターンのピッチをｐ１、ｎを自然数としたときに、前記円形の開口の、前記スケールの移動方向における実効的な開口幅Ｗｓ は、おおよそｐ１×（２ｎ−１）×（ｚ３＋ｚ２）／（２×ｚ２）で表されることを特徴とする２１．に記載の光学式エンコーダ。
【０２１４】
上記のように構成することで、光源から出射された光ビームの所定の部分を通過させる開口を用いた場合の、より拡大されたタルボットイメージの明暗パターンのコントラストをより高めることが可能となるため、より安定した高分解能な光学式エンコーダを実現することが可能となる。
【０２１５】
なお、上記２３．の構成の詳細については、少なくとも第２実施形態に述べられている。
【０２１６】
２４． 前記スケールと前記光検出器との距離をｚ２、前記開口と前記スケールとの距離をｚ３、前記スケールが有する前記周期的な光学パターンのピッチをｐ１、ｎを自然数としたときに、前記開口の実効的な開口幅Ｗｓ は、おおよそｐ１×（２ｎ−１．５）×（ｚ２＋ｚ３）／（２×ｚ２）≦Ｗｓ ≦ｐ１×（２ｎ−０．５）×（ｚ２＋ｚ３）／（２×ｚ２）の関係を満たすことを特徴とする２１．に記載の光学式エンコーダ。
【０２１７】
上記のように構成することで、光源から出射された光ビームの所定の部分を通過させる開口を用いた場合の、より拡大されたタルボットイメージの明暗パターンのコントラストをより高めることが可能となるため、より安定した高分解能な光学式エンコーダを実現することが可能となる。
【０２１８】
なお、上記２４．の構成の詳細については、少なくとも第２実施形態に述べられている。
【０２１９】
２５． 前記スケールと前記光検出器との距離をｚ２、前記開口と前記スケールとの距離をｚ３、前記スケールが有する前記周期的な光学パターンのピッチをｐ１、ｎを自然数としたときに、前記開口は前記スケールの移動方向に複数の開口部を有し、前記複数の開口部は前記光学パターンのピッチｐ１の（ｚ２＋ｚ３）／ｚ２×ｎ倍の位置に配置されていることを特徴とする２１．から２４．のいずれかに記載の光学式エンコーダ。
【０２２０】
上記のように構成することで、前記光検出器が受光する信号光の光強度を大きくすることが可能となるため、より安定した高分解能な光学式エンコーダを実現することが可能となる。
【０２２１】
なお、上記２５．の構成の詳細については、少なくとも第３実施形態に述べられている。
【０２２２】
２６． 前記開口の実効的な開口幅Ｗｓ と前記光学パターンのピッチｐ１とは、ｎを自然数としたとき、おおよそｐ１×（２ｎ−１．５）≦Ｗｓ ≦ｐ１×（２ｎ−０．５）の関係を満たすことを特徴とする２１．に記載の光学式エンコーダ。
【０２２３】
上記のように構成することで、光源から出射された光ビームの所定の部分を通過させる開口を用いた場合の、より拡大されたタルボットイメージの明暗パターンのコントラストをより高めることが可能となるため、より安定した高分解能な光学式エンコーダを実現することが可能となる。
【０２２４】
なお、上記２６．の構成の詳細については、少なくとも第２実施形態に述べられている。
【０２２５】
２７． 前記開口は、前記スケールの移動方向に前記光検出器の前記受光面上に形成される光強度パターンの周期ｐ２の略整数倍の位置に複数配置されていることを特徴とする２１．または２６．に記載の光学式エンコーダ。
【０２２６】
上記のように構成することで、前記光検出器が受光する信号光の光強度を大きくすることが可能となるため、より安定した高分解能な光学式エンコーダを実現することが可能となる。
【０２２７】
なお、上記２７．の構成の詳細については、少なくとも第３実施形態に述べられている。
【０２２８】
２８． 前記開口は、前記スケールのパターン面と平行な面内で、前記スケールの移動方向と直交する方向に複数配置されていることを特徴とする２１．から２７．のいずれかに記載の光学式エンコーダ。
【０２２９】
上記のように構成することで、前記光検出器が受光する信号光の光強度をより大きくすることが可能となるため、より安定した高分解能な光学式エンコーダを実現することが可能となる。
【０２３０】
なお、上記２８．の構成の詳細については、少なくとも第３実施形態に述べられている。
【０２３１】
２９． 可干渉光源と、前記可干渉光源から出射された光ビームの所定の部分を通過させる光学素子と、周期的な光学パターンを有し、前記可干渉光源に対して相対的に変位するスケールと、前記可干渉光源から出射され前記スケールを経由した光ビームを検出するための光検出器とを有する光学式エンコーダの、前記光検出器の受光面上に形成される光強度パターンの周期ｐ２に応じた出力信号レベルの調整方法であって、
（ｉ）前記光検出器の前記受光面上に形成される光強度パターンを検出するステップと、
（ｉｉ）前記光検出器により検出される光強度パターンの周期ｐ２に応じた出力信号のレベルを確認するステップと、
（ｉｉｉ）前記出力信号のレベルが所定の範囲に含まれるか否かを判断するステップと、
（ｉｖ）前記出力信号のレベルが前記所定の信号レベルの範囲に含まれない場合には、前記光学素子から前記スケールまでの距離を変化させるステップとを具備し、前記（ｉ）から（ｉｖ）までの各ステップを繰り返して実行する。
【０２３２】
上記のように構成することで、光源、スケール、光検出器の配置を変更することなく、光検出器上に形成される光強度パターンの周期ｐ２を調整する事が可能となる。
【０２３３】
なお、上記２９．の構成の詳細については、少なくとも第１から第３実施形態に述べられている。
【０２３４】
３０． 可干渉光源と、
周期的な光学パターンを有し、前記可干渉光源に対して相対的に変位するスケールと、
前記可干渉光源から出射され前記スケールを経由した光ビームを検出するための光検出器を有する光学式エンコーダであって、
前記可干渉光源と前記スケール間に、前記光ビームのビーム拡がり角を所定の値にする光学素子を有することを特徴とする光学式エンコーダ。
【０２３５】
上記のように構成することで、容易に光検出器上に形成される光強度パターンの周期ｐ２を調整する事が可能となり、より高分解能な光学式エンコーダを実現することが可能となる。
【０２３６】
なお、上記３０．の構成の詳細については、少なくとも第４から第６実施形態に述べられている。
【０２３７】
３１． 前記可干渉光源と、前記スケールと、前記光検出器とは、タルボットイメージを検出可能な所定の位置関係に配置されていることを特徴とする３０．に記載の光学式エンコーダ。
【０２３８】
上記のように構成することで、光検出器上に形成されるタルボットイメージの拡大率を調整する事が可能となり、より高分解能な光学式エンコーダを実現することが可能となる。
【０２３９】
なお、上記３１．の構成の詳細については、少なくとも第４から第６実施形態に述べられている。
【０２４０】
３２． 前記可干渉光源と前記スケールとの距離をｚ１、前記スケールと前記光検出器との距離をｚ２、前記スケールが有する前記周期的な光学パターンのピッチをｐ１、前記可干渉光源から出射される前記光ビームの波長をλ、ｎを整数としたときに、前記光学式エンコーダは、おおよそ、１／ｚ１＋１／ｚ２＝λ／（ｎ（ｐ１）^２）の関係を満たすように構成されていることを特徴とする請求項３０に記載の光学式エンコーダ。
【０２４１】
上記のように構成することで、容易に光検出器上に形成されるタルボットイメージの拡大率を調整する事が可能となり、より高分解能な光学式エンコーダを実現することが可能となる。
【０２４２】
なお、上記３２．の構成の詳細については、少なくとも第４から第６実施形態に述べられている。
【０２４３】
３３． 前記可干渉光源から出射された光ビームが前記スケールを経由して前記光検出器の受光面上に照射された時に形成される前記受光面上の光強度パターンの周期をｐ２としたときに、前記光検出器は、周期ｐ２を有する前記光強度パターンの所定の位相部分を検出する複数の受光部を有することを特徴とする３０．から３２．のいずれかに記載の光学式エンコーダ。
【０２４４】
上記のように構成することで、タルボットイメージの所定の位相部分を複数の受光部により検出する事が可能となるため、光検出器の受ける信号光の強度を大きくすることが可能となり、より安定した光学式エンコーダを実現することが可能となる。
【０２４５】
なお、上記３３．の構成の詳細については、少なくとも第４から第６実施形態に述べられている。
【０２４６】
３４． 前記スケールと前記光検出器との距離をｚ２、前記スケールが有する前記周期的な光学パターンのピッチをｐ１、前記光ビームのビーム拡がり角を所定の値にする光学素子を通過した光ビームの拡がり角から算出される仮想的な点光源の位置から前記スケールまでの距離をｚ４としたときに、前記光検出器の受光部は、前記光検出器の受光面上に形成される光強度パターンの周期ｐ２が、おおよそ（ｚ２＋ｚ４）／ｚ４×ｐ１である光強度パターンの所定の位相部分を検出可能に構成されていることを特徴とする３０．から３３．のいずれかに記載の光学式エンコーダ。
【０２４７】
上記のように構成することで、より安定して拡大されたタルボットイメージを光検出器上に形成する事が可能となるため、より安定した高分解能な光学式エンコーダを実現することが可能となる。
【０２４８】
なお、上記３４．の構成の詳細については、少なくとも第６実施形態に述べられている。
【０２４９】
３５． 前記光ビームのビーム拡がり角を所定の値にする光学素子は、レンズであることを特徴とする３０．から３４．のいずれかに記載の光学式エンコーダ。
【０２５０】
上記のように構成することで、より安定して拡大されたタルボットイメージを光検出器上に形成する事が可能となるため、より安定した高分解能な光学式エンコーダを実現することが可能となる。
【０２５１】
なお、上記３５．の構成の詳細については、少なくとも第４から第６実施形態に述べられている。
【０２５２】
３６． 前記レンズは、凹レンズであることを特徴とする３５．に記載の光学式エンコーダ。
【０２５３】
上記のように構成することで、より安定して拡大されたタルボットイメージを光検出器上に形成する事が可能となるため、より安定した高分解能な光学式エンコーダを実現することが可能となる。
【０２５４】
なお、上記３６．の構成の詳細については、少なくとも第４から第６実施形態に述べられている。
【０２５５】
３７． 前記レンズは、複数のレンズによって構成される光学系であることを特徴とする３５．に記載の光学式エンコーダ。
【０２５６】
上記のように構成することで、より安定して拡大されたタルボットイメージを光検出器上に形成する事が可能となり、さらに、タルボットイメージの拡大率をより安定して調整可能となるため、より安定した高分解能な光学式エンコーダを実現することが可能となる。
【０２５７】
なお、上記３７．の構成の詳細については、少なくとも第５実施形態に述べられている。
【０２５８】
３８． 前記レンズは、前記スケールの移動方向にのみ光学作用を有するシリンドリカルレンズであることを特徴とする３５．に記載の光学式エンコーダ。
【０２５９】
上記のように構成することで、より安定して拡大されたタルボットイメージを光検出器上に形成する事が可能となり、さらに、光検出器上に形成される信号光の光強度を大きくすることが可能となるため、より安定した高分解能な光学式エンコーダを実現することが可能となる。
【０２６０】
なお、上記３８．の構成の詳細については、少なくとも第５実施形態に述べられている。
【０２６１】
３９． 前記レンズは、前記スケールの移動方向では前記光ビームのビーム拡がり角を凹レンズ的に広げる作用を有し、前記スケールの移動方向とは直交し、前記スケールパターンと平行な面内においては前記光ビームのビーム拡がり角を凸レンズ的に集光する作用を有することを特徴とする３５．に記載の光学式エンコーダ。
【０２６２】
なお、上記３９．の構成の詳細については、少なくとも第４から第６実施形態に述べられている。
【０２６３】
４０． 可干渉光源と、周期的な光学パターンを有し、前記可干渉光源に対して相対的に変位するスケールと、前記可干渉光源から出射され前記スケールを経由した光ビームを検出するための光検出器とを有する光学式エンコーダの、前記光検出器の受光面上に形成される光強度パターンの周期ｐ２に応じた出力信号レベルの調整方法であって、
（ｉ）前記可干渉光源から出射された光ビームのビーム拡がり角を所定の値に設定するステップと、
（ｉｉ）前記設定されたビーム拡がり角から仮想的な点光源の位置を算出するステップと、
（ｉｉｉ）前記光検出器の前記受光面上に形成される光強度パターンを検出するステップと、
（ｉｖ）前記光検出器により検出される光強度パターンの周期ｐ２に応じた出力信号のレベルを確認するステップと、
（ｖ）前記出力信号のレベルが所定の範囲に含まれるか否かを判断するステップと、
（ｖｉ）前記比較した結果が所定の信号レベルの範囲に含まれる場合は調整を終了し、前記比較した結果が前記所定の信号レベルの範囲に含まれない場合、前記算出された仮想的な点光源の位置から前記スケールまでの距離を変化させるステップとを具備し、
前記（ｉｉｉ）から（ｖｉ）までの各ステップを繰り返して実行することを特徴とする出力信号レベルの調整方法。
【０２６４】
上記のように構成することで、光検出器上に形成されたタルボットイメージの拡大率を安定して調整する事が可能となるため、より安定した高分解能な光学式エンコーダを実現することが可能となる。
【０２６５】
なお、上記４０．の構成の詳細については、少なくとも第４から第６実施形態に述べられている。
【０２６６】
４１． 可干渉光源と、
周期的な光学パターンを有し、前記可干渉光源に対して相対的に変位するスケールと、
前記可干渉光源から出射され前記スケールを経由した光ビームを検出するための光検出器を有する光学式エンコーダであって、
前記可干渉光源と前記スケール間に、前記光ビームの所定の部分を透過する光学素子と、前記光ビームのビーム拡がり角を所定の値にする光学素子とを有することを特徴とする光学式エンコーダ。
【０２６７】
上記のように構成することで、光源の光ビーム出射窓部の大きさに寄らず、より安定して拡大されたタルボットイメージを光検出器上に形成する事が可能となり、さらに、光検出器上に形成される信号光の光強度を大きくすることが可能となり、また、タルボットイメージの拡大率を調整可能となるため、より安定した高分解能な光学式エンコーダを実現することが可能となる。
【０２６８】
なお、上記４１．の構成の詳細については、少なくとも第７実施形態に述べられている。
【０２６９】
４２． 前記光ビームの所定の部分を透過する光学素子は、前記光源から出射された光ビームが、前記スケールによって反射された後、前記光検出器の実効的な受光感度を有する領域に向かう光路を遮らないように配置されていることを特徴とする６．から２９．のいずれかまたは４１．に記載の光学式エンコーダ。
【０２７０】
上記のように構成することで、スケールからの信号光を、前記光ビームの所定の部分を通過する光学素子により遮ることが無く、光検出器に入射する信号光の光強度がより安定するため、より安定した高分解能な光学式エンコーダを実現することが可能となる。
【０２７１】
なお、上記４２．の構成の詳細については、少なくとも第１から第３及び第７実施形態に述べられている。
【０２７２】
４３． 前記光ビームのビーム拡がり角を所定の値にする光学素子は、前記可干渉光源から出射された光ビームが、前記スケールによって反射された後、前記光検出器の実効的な受光感度を有する領域に向かう光路を遮らないように配置されていることを特徴とする３０．から４１．のいずれかに記載の光学式エンコーダ。
【０２７３】
上記のように構成することで、スケールからの信号光を、前記光ビームのビーム拡がり角を所定の値にする光学素子により遮ることが無く、光検出器に入射する信号光の光強度がより安定するため、より安定した高分解能な光学式エンコーダを実現することが可能となる。
【０２７４】
なお、上記４３．の構成の詳細については、少なくとも第３０から第４１実施形態に述べられている。
【０２７５】
４４． 前記可干渉光源は、電流狭窄型の発光素子であることを特徴とする１．から４３．に記載の光学式エンコーダ。
【０２７６】
上記のように構成することで、より安定した、より高性能な光学式エンコーダを安価に提供することが可能となる。
【０２７７】
なお、上記４４．の構成の詳細については、少なくとも第１から第８実施形態に述べられている。
【０２７８】
４５． 前記電流狭窄型の発光素子は、複数の光ビーム出射窓部を有することを特徴とする４４．に記載の光学式エンコーダ。
【０２７９】
上記のように構成することで、より安定した、より高性能な光学式エンコーダを安価に提供することが可能となる。
【０２８０】
なお、上記４５．の構成の詳細については、少なくとも第８実施形態に述べられている。
【０２８１】
４６． 前記可干渉光源は、面発光型の半導体レーザで有ることを特徴とする１．〜４３．に記載の光学式エンコーダ。
【０２８２】
上記のように構成することで、より安定した、より高性能な光学式エンコーダを安価に提供することが可能となる。
【０２８３】
なお、上記４６．の構成の詳細については、少なくとも第８実施形態に述べられている。
【０２８４】
４７． 前記面発光型の半導体レーザは、複数の光ビーム出射窓部を有することを特徴とする４６．に記載の光学式エンコーダ。
【０２８５】
上記のように構成することで、より安定した、より高性能な光学式エンコーダを安価に提供することが可能となる。
【０２８６】
なお、上記４７．の構成の詳細については、少なくとも第８実施形態に述べられている。
【０２８７】
【発明の効果】
本発明によれば、光源の光ビーム射出窓幅を所定の範囲とすることで、形成されるタルボットイメージのコントラストを大きくできるため、より分解能の高いエンコーダを実現することが可能となる。また、所定の間隔の、複数の射出窓を有する光源を用いることで、十分な光強度の光信号を利用することが可能となり、さらに分解能を高めることも可能とする。
【０２８８】
本発明によれば、光源とスケールの間に、光源から出射された光ビームの所定の部分を透過させる光学素子を設けることで、光源の幅に対してより小さなスケールピッチのスケールを使用することが可能となり、形成されるタルボットイメージのコントラストも大きくなるため、より分解能の高いエンコーダを実現することが可能となる。
【０２８９】
また、光源とスケールの間に、光源から出射された光ビームの所定の部分を透過させる光学素子を設けるか、または光源から出射された光ビームのビーム拡がり角を所定の値に設定する光学素子を設けることで、スケールと光検出器間の距離を大きくすることなく、タルボットイメージの拡大する事が可能となるため、より小さなスケールピッチのスケールを用いることが可能となり、また、形成されるタルボットイメージより大きく拡大されているため、より分解能の高いエンコーダを実現することが可能となる。
【０２９０】
また、本発明によると、光源の光ビーム出射窓幅またはスリット開口幅が、エンコーダの他の構造パラメータに対してある条件を満たすようにすることで、よりコントラストの高いタルボットイメージを光検出器上に形成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る光学式エンコーダの構成を示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態の光検出器３の構成を示す図である。
【図３】第１実施形態の変形例としての反射型の光学式エンコーダの構成を示す図である。
【図４】本発明の第２実施形態において用いられる光ビーム出射窓幅ＷＬｓを有する電流狭窄型のＬＥＤを示す図である。
【図５】本発明の第２実施形態における開口幅Ｗｓ を示す図である。
【図６】光ビーム出射窓幅ＷＬｓがスリットピッチｐ１より大きな可干渉光源１を用い、スリット１００がない場合のタルボットイメージについて説明するための図である。
【図７】タルボットイメージについて一般的な説明を行うための図である。
【図８】本発明の第３実施形態において、スリット開口部１０２がピッチｐｓで複数配列されている構成を示す図である。
【図９】距離ｐｓ離れた二つのスリットから出射される光ビームにより形成されるタルボットイメージの重なりのイメージを示す図である。
【図１０】スリット開口部１０２の形状の一例を示す図である。
【図１１】スリット開口部１０２の形状の他の例を示す図である。
【図１２】光検出器の受光面上に形成される光強度パターンの周期ｐ２に応じて光検出器の出力信号のレベルを調整する方法を説明するための図である。
【図１３】本発明の第５実施形態に係る光学式エンコーダの構成を示す図である。
【図１４】本発明の第５実施形態の変形例としての反射型の光学式エンコーダの構成を示す図である。
【図１５】本発明の第６実施形態に係る光学式エンコーダの光源１の近傍を示した図である。
【図１６】本発明の第７実施形態において、１軸方向にのみレンズ作用を有する棒状レンズを示す図である。
【図１７】図１６に示す棒状レンズの作用を説明するための図である。
【図１８】一方向においては凹レンズ的に働き、それと直交する方向においては凸レンズ的に働くシリンドリカルレンズを示す図である。
【図１９】図１８に示すシリンドリカルレンズの作用を説明するための図である。
【図２０】本発明の第８実施形態に係る光学式エンコーダの構成を示す図である。
【図２１】光源１から出射される光ビームの変形例を説明するための図である。
【図２２】本発明の第９実施形態に係る調整方法について説明するための図である。
【図２３】従来技術としての代表的な光学式エンコーダの構成を示す図である。
【図２４】スケールの移動量を表す検出信号の波形を示す図である。
【図２５】タルボットイメージについて説明するための図である。
【符号の説明】
１ 可干渉光源
２ スケール
３ 光検出器
４ 受光部
１００ スリット
１０２ スリット開口部

Claims (43)

1. 可干渉光源と、
   周期的な光学パターンを有し、前記可干渉光源に対して相対的に変位するスケールと、
   前記可干渉光源から出射され前記スケールを経由した光ビームを検出するための光検出器とを有する光学式エンコーダであって、
   前記可干渉光源と前記スケールとの距離をｚ１、前記スケールと前記光検出器との距離をｚ２，前記スケールが有する前記周期的な光学パターンのピッチをｐ１としたときに、前記可干渉光源のスケール移動方向における光ビーム出射窓幅ＷＬｓは、ｐ１×（ｚ１＋ｚ２）／（２×ｚ２）以下であることを特徴とする光学式エンコーダ。
2. 可干渉光源と、
   周期的な光学パターンを有し、前記可干渉光源に対して相対的に変位するスケールと、
   前記可干渉光源から出射され前記スケールを経由した光ビームを検出するための光検出器とを有する光学式エンコーダであって、
   前記可干渉光源と前記スケールとの距離をｚ１、前記スケールと前記光検出器との距離をｚ２，前記スケールが有する前記周期的な光学パターンのピッチをｐ１、ｎを自然数としたときに、前記可干渉光源のスケール移動方向における光ビーム出射窓幅ＷＬｓは、おおよそｐ１×（２ｎ−１）×（ｚ１＋ｚ２）／（２×ｚ２）で表されることを特徴とする光学式エンコーダ。
3. 可干渉光源と、
   周期的な光学パターンを有し、前記可干渉光源に対して相対的に変位するスケールと、
   前記可干渉光源から出射され前記スケールを経由した光ビームを検出するための光検出器とを有する光学式エンコーダであって、
   前記可干渉光源と前記スケールとの距離をｚ１、前記スケールと前記光検出器との距離をｚ２，前記スケールが有する前記周期的な光学パターンのピッチをｐ１、ｎを自然数としたときに、前記可干渉光源のスケール移動方向における光ビーム出射窓幅ＷＬｓは、ｐ１×（２ｎ−１．５）×（ｚ１＋ｚ２）／（２×ｚ２）≦ＷＬｓ≦ｐ１×（２ｎ−０．５）×（ｚ１＋ｚ２）／（２×ｚ２）の関係を満たすことを特徴とする光学式エンコーダ。
4. 可干渉光源と、
   周期的な光学パターンを有し、前記可干渉光源に対して相対的に変位するスケールと、
   前記可干渉光源から出射され前記スケールを経由した光ビームを検出するための光検出器とを有する光学式エンコーダであって、
   前記スケールが有する前記周期的な光学パターンのピッチをｐ１、ｎを自然数としたときに、前記可干渉光源のスケール移動方向における光ビーム出射窓幅ＷＬｓは、（２ｎ−１．５）×ｐ１≦ＷＬｓ≦（２ｎ−０．５）×ｐ１の関係を満たすことを特徴とする光学式エンコーダ。
5. 可干渉光源と前記スケールとの距離をｚ１、前記スケールと前記光検出器との距離をｚ２、前記スケールが有する前記周期的な光学パターンのピッチをｐ１、ｎを自然数としたときに、前記可干渉光源は、前記光学パターンのピッチｐ１の（ｚ１＋ｚ２）／ｚ２×ｎ倍の位置に、前記スケールの移動方向に複数の光ビーム出射窓を有することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光学式エンコーダ。
6. 可干渉光源と、
   周期的な光学パターンを有し、前記可干渉光源に対して相対的に変位するスケールと、
   前記可干渉光源から出射され前記スケールを経由した光ビームを検出するための光検出器を有する光学式エンコーダであって、
   前記可干渉光源と前記スケール間に、前記光ビームの所定の部分を透過する光学素子を有することを特徴とする光学式エンコーダ。
7. 前記可干渉光源と、前記スケールと、前記光検出器とは、タルボットイメージを検出可能な所定の関係に配置されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の光学式エンコーダ。
8. 前記可干渉光源と前記スケールとの距離をｚ１、前記スケールと前記光検出器との距離をｚ２、前記スケールが有する前記周期的な光学パターンのピッチをｐ１、前記可干渉光源から出射される前記光ビームの波長をλ、ｎを整数としたときに、前記光学式エンコーダは、おおよそ、１／ｚ１＋１／ｚ２＝λ／（ｎ（ｐ１）^２）の関係を満たすように構成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の光学式エンコーダ。
9. 前記可干渉光源から出射された光ビームの所定の部分を通過させる光学素子と、前記スケールと、前記光検出器とは、タルボットイメージを検出可能な所定の位置関係に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の光学式エンコーダ。
10. 前記可干渉光源から出射された光ビームの所定の部分を通過させる光学素子と前記スケールとの距離をｚ３、前記スケールと前記光検出器との距離をｚ２、前記スケールが有する前記周期的な光学パターンのピッチをｐ１、前記可干渉光源から出射される前記光ビームの波長をλ、ｎを整数としたときに、前記光学式エンコーダは、おおよそ、１／ｚ２＋１／ｚ３＝λ／（ｎ（ｐ１）^２）の関係を満たすように構成されていることを特徴とする請求項６に記載の光学式エンコーダ。
11. 前記可干渉光源から出射された光ビームが前記スケールを経由して前記光検出器の受光面上に照射された時に形成される前記受光面上の光強度パターンの周期をｐ２としたときに、前記光検出器は、前記光強度パターンの所定の位相部分を検出する複数の受光部を有することを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の光学式エンコーダ。
12. 前記スケールと前記光検出器との距離をｚ２、前記スケールが有する前記周期的な光学パターンのピッチをｐ１、前記可干渉光源から出射された光ビームの所定の部分を通過させる光学素子と前記スケールとの距離をｚ３としたときに、前記光検出器の受光部は、前記光検出器の受光面上に形成される前記光強度パターンの周期ｐ２が、おおよそｐ１×（ｚ２＋ｚ３）／ｚ３である光強度パターンの所定の位相部分を検出可能に構成されていることを特徴とする請求項６から１１のいずれかに記載の光学式エンコーダ。
13. 前記可干渉光源から出射された光ビームの所定の部分を通過させる光学素子は、前記スケールの移動方向に短軸を有するスリットであることを特徴とする請求項６から１２のいずれかに記載の光学式エンコーダ。
14. 前記スケールと前記光検出器との距離をｚ２、前記スリットと前記スケールとの距離をｚ３、前記スケールが有する前記周期的な光学パターンのピッチをｐ１、ｎを自然数としたときに、前記スリットの、前記スケールの移動方向の実効的な開口幅Ｗｓ は、ｐ１×（ｚ３＋ｚ２）／（２×ｚ２）以下であることを特徴とする請求項１３に記載の光学式エンコーダ。
15. 前記スケールと前記光検出器との距離をｚ２、前記スリットと前記スケールとの距離をｚ３、前記スケールが有する前記周期的な光学パターンのピッチをｐ１、ｎを自然数としたときに、前記スリットの、前記スケールの移動方向における実効的な開口幅Ｗｓ は、おおよそｐ１×（２ｎ−１）×（ｚ３＋ｚ２）／（２×ｚ２）で表されることを特徴とする請求項１３に記載の光学式エンコーダ。
16. 前記スケールと前記光検出器との距離をｚ２、前記スリットと前記スケールとの距離をｚ３、前記スケールが有する前記周期的な光学パターンのピッチをｐ１、ｎを自然数としたときに、前記スリットの、前記スケールの移動方向の実効的な開口幅Ｗｓ と前記周期的な光学パターンのピッチｐ１との関係は、おおよそ、ｐ１×（２ｎ−１．５）×（ｚ３＋ｚ２）／（２×ｚ２）≦Ｗｓ ≦ｐ１×（２ｎ−０．５）×（ｚ３＋ｚ２）／（２×ｚ２）で表されることを特徴とする請求項１３に記載の光学式エンコーダ。
17. 前記スケールと前記光検出器との距離をｚ２、前記スリットと前記スケールとの距離をｚ３、前記スケールが有する前記周期的な光学パターンのピッチをｐ１、ｎを自然数としたときに、前記スリットは前記スケールの移動方向に複数の開口部を有し、かつ、前記複数の開口部は前記光学パターンのピッチｐ１の（ｚ３＋ｚ２）／ｚ２×ｎ倍の位置に配置されていることを特徴とする請求項１３から１６のいずれかに記載の光学式エンコーダ。
18. 前記スリットが有する前記スケールの移動方向の実効的な開口幅Ｗｓ は、ｎを自然数として、ｐ１×（２ｎ−１．５）≦Ｗｓ ≦ｐ１×（２ｎ−０．５）の関係を満たすことを特徴とする請求項１３に記載の光学式エンコーダ。
19. 前記スリットは、前記スケールの移動方向に複数の開口部を有し、前記複数の開口部は、前記光検出器のピッチｐ２の略整数倍の位置に配置されていることを特徴とする請求項１３または１８に記載の光学式エンコーダ。
20. 前記スリットは、前記スケールの移動方向に、前記スケールのピッチｐ１の略整数倍の位置に配置されていることを特徴とする請求項１９に記載の光学式エンコーダ。
21. 前記可干渉光源から出射された光ビームの所定の部分を通過させる光学素子は、円形の開口であることを特徴とする請求項６から１２のいずれかに記載の光学式エンコーダ。
22. 前記スケールと前記光検出器との距離をｚ２、前記円形の開口と前記スケールとの距離をｚ３、前記スケールが有する前記周期的な光学パターンのピッチをｐ１、ｎを自然数としたときに、前記円形の開口の、前記スケールの移動方向の実効的な開口幅Ｗｓ は、ｐ１×（ｚ３＋ｚ２）／（２×ｚ２）以下であることを特徴とする請求項２１に記載の光学式エンコーダ。
23. 前記スケールと前記光検出器との距離をｚ２、前記円形の開口と前記スケールとの距離をｚ３、前記スケールが有する前記周期的な光学パターンのピッチをｐ１、ｎを自然数としたときに、前記円形の開口の、前記スケールの移動方向における実効的な開口幅Ｗｓ は、おおよそｐ１×（２ｎ−１）×（ｚ３＋ｚ２）／（２×ｚ２）で表されることを特徴とする請求項２１に記載の光学式エンコーダ。
24. 前記スケールと前記光検出器との距離をｚ２、前記開口と前記スケールとの距離をｚ３、前記スケールが有する前記周期的な光学パターンのピッチをｐ１、ｎを自然数としたときに、前記開口の実効的な開口幅Ｗｓ は、おおよそｐ１×（２ｎ−１．５）×（ｚ２＋ｚ３）／（２×ｚ２）≦Ｗｓ ≦ｐ１×（２ｎ−０．５）×（ｚ２＋ｚ３）／（２×ｚ２）の関係を満たすことを特徴とする請求項２１に記載の光学式エンコーダ。
25. 前記スケールと前記光検出器との距離をｚ２、前記開口と前記スケールとの距離をｚ３、前記スケールが有する前記周期的な光学パターンのピッチをｐ１、ｎを自然数としたときに、前記開口は前記スケールの移動方向に複数の開口部を有し、前記複数の開口部は前記光学パターンのピッチｐ１の（ｚ２＋ｚ３）／ｚ２×ｎ倍の位置に配置されていることを特徴とする請求項２１から２４のいずれかに記載の光学式エンコーダ。
26. 前記開口の実効的な開口幅Ｗｓ と前記光学パターンのピッチｐ１とは、ｎを自然数としたとき、おおよそｐ１×（２ｎ−１．５）≦Ｗｓ ≦ｐ１×（２ｎ−０．５）の関係を満たすことを特徴とする請求項２１に記載の光学式エンコーダ。
27. 前記開口は、前記スケールの移動方向に前記光検出器の前記受光面上に形成される光強度パターンの周期ｐ２の略整数倍の位置に複数配置されていることを特徴とする請求項２１または２６に記載の光学式エンコーダ。
28. 前記開口は、前記スケールのパターン面と平行な面内で、前記スケールの移動方向と直交する方向に複数配置されていることを特徴とする請求項２１から２７のいずれかに記載の光学式エンコーダ。
29. 可干渉光源と、前記可干渉光源から出射された光ビームの所定の部分を通過させる光学素子と、周期的な光学パターンを有し、前記可干渉光源に対して相対的に変位するスケールと、前記可干渉光源から出射され前記スケールを経由した光ビームを検出するための光検出器とを有する光学式エンコーダの、前記光検出器の受光面上に形成される光強度パターンの周期ｐ２に応じた出力信号レベルの調整方法であって、
    （ｉ）前記光検出器の前記受光面上に形成される光強度パターンを検出するステップと、
    （ｉｉ）前記光検出器により検出される光強度パターンの周期ｐ２に応じた出力信号のレベルを確認するステップと、
    （ｉｉｉ）前記出力信号のレベルが所定の範囲に含まれるか否かを判断するステップと、
    （ｉｖ）前記出力信号のレベルが前記所定の信号レベルの範囲に含まれない場合には、前記光学素子から前記スケールまでの距離を変化させるステップと、
    を具備し、
    前記（ｉ）から（ｉｖ）までの各ステップを繰り返して実行することを特徴とする、出力信号レベルの調整方法。
30. 可干渉光源と、
    周期的な光学パターンを有し、前記可干渉光源に対して相対的に変位するスケールと、
    前記可干渉光源から出射され前記スケールを経由した光ビームを検出するための光検出器を有する光学式エンコーダであって、
    前記可干渉光源と前記スケール間に、前記光ビームのビーム拡がり角を所定の値にする光学素子を有することを特徴とする光学式エンコーダ。
31. 前記可干渉光源と、前記スケールと、前記光検出器とは、タルボットイメージを検出可能な所定の位置関係に配置されていることを特徴とする請求項３０に記載の光学式エンコーダ。
32. 前記可干渉光源と前記スケールとの距離をｚ１、前記スケールと前記光検出器との距離をｚ２、前記スケールが有する前記周期的な光学パターンのピッチをｐ１、前記可干渉光源から出射される前記光ビームの波長をλ、ｎを整数としたときに、前記光学式エンコーダは、おおよそ、１／ｚ１＋１／ｚ２＝λ／（ｎ（ｐ１）^２）の関係を満たすように構成されていることを特徴とする請求項３０に記載の光学式エンコーダ。
33. 前記可干渉光源から出射された光ビームが前記スケールを経由して前記光検出器の受光面上に照射された時に形成される前記受光面上の前記光強度パターンの周期をｐ２としたときに、前記光検出器は、前記光強度パターンの所定の位相部分を検出する複数の受光部を有することを特徴とする請求項３０から３２のいずれかに記載の光学式エンコーダ。
34. 前記スケールと前記光検出器との距離をｚ２、前記スケールが有する前記周期的な光学パターンのピッチをｐ１、前記光ビームのビーム拡がり角を所定の値にする光学素子を通過した光ビームの拡がり角から算出される仮想的な点光源の位置から前記スケールまでの距離をｚ４としたときに、前記光検出器の受光部は、前記光検出器の受光面上に形成される光強度パターンの周期ｐ２が、おおよそ（ｚ２＋ｚ４）／ｚ４×ｐ１である光強度パターンの所定の位相部分を検出可能に構成されていることを特徴とする請求項３０から３３のいずれかに記載の光学式エンコーダ。
35. 前記光ビームのビーム拡がり角を所定の値にする光学素子は、レンズであることを特徴とする請求項３０から３４のいずれかに記載の光学式エンコーダ。
36. 前記レンズは、凹レンズであることを特徴とする請求項３５に記載の光学式エンコーダ。
37. 前記レンズは、複数のレンズによって構成される光学系であることを特徴とする請求項３５に記載の光学式エンコーダ。
38. 前記レンズは、前記スケールの移動方向にのみ光学作用を有するシリンドリカルレンズであることを特徴とする請求項３５に記載の光学式エンコーダ。
39. 前記レンズは、前記スケールの移動方向では前記光ビームのビーム拡がり角を凹レンズ的に広げる作用を有し、前記スケールの移動方向とは直交し、前記スケールパターンと平行な面内においては前記光ビームのビーム拡がり角を凸レンズ的に集光する作用を有することを特徴とする請求項３５に記載の光学式エンコーダ。
40. 可干渉光源と、周期的な光学パターンを有し、前記可干渉光源に対して相対的に変位するスケールと、前記可干渉光源から出射され前記スケールを経由した光ビームを検出するための光検出器とを有する光学式エンコーダの、前記光検出器の受光面上に形成される光強度パターンの周期ｐ２に応じた出力信号レベルの調整方法であって、
    （ｉ）前記可干渉光源から出射された光ビームのビーム拡がり角を所定の値に設定するステップと、
    （ｉｉ）前記設定されたビーム拡がり角から仮想的な点光源の位置を算出するステップと、
    （ｉｉｉ）前記光検出器の前記受光面上に形成される光強度パターンを検出するステップと、
    （ｉｖ）前記光検出器により検出される光強度パターンの周期ｐ２に応じた出力信号のレベルを確認するステップと、
    （ｖ）前記出力信号のレベルが所定の範囲に含まれるか否かを判断するステップと、
    （ｖｉ）前記出力信号のレベルが所定の信号レベルの範囲に含まれる場合には調整を終了し、前記出力信号のレベルが前記所定の信号レベルの範囲に含まれない場合には、前記算出された仮想的な点光源の位置から前記スケールまでの距離を変化させるステップと、
    を具備し、
    前記（ｉｉｉ）から（ｖｉ）までの各ステップを繰り返して実行することを特徴とする出力信号レベルの調整方法。
41. 可干渉光源と、
    周期的な光学パターンを有し、前記可干渉光源に対して相対的に変位するスケールと、
    前記可干渉光源から出射され前記スケールを経由した光ビームを検出するための光検出器を有する光学式エンコーダであって、
    前記可干渉光源と前記スケール間に、前記光ビームの所定の部分を透過する光学素子と、前記光ビームのビーム拡がり角を所定の値にする光学素子とを有することを特徴とする光学式エンコーダ。
42. 前記光ビームの所定の部分を透過する光学素子は、前記可干渉光源から出射された光ビームが、前記スケールによって反射された後、前記光検出器の実効的な受光感度を有する領域に向かう光路を遮らないように配置されていることを特徴とする請求項６から２９のいずれかまたは請求項４１に記載の光学式エンコーダ。
43. 前記光ビームのビーム拡がり角を所定の値にする光学素子は、前記可干渉光源から出射された光ビームが、前記スケールによって反射された後、前記光検出器の実効的な受光感度を有する領域に向かう光路を遮らないように配置されていることを特徴とする請求項３０から４１のいずれかに記載の光学式エンコーダ。

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