JP2005291794A - 光学式エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】複数の周期を有する格子を低コストで実現でき、エンコーダ全体の小型化、薄型化が図られ、高精度の絶対位置検出を実施できる光学式エンコーダを提供する。
【解決手段】光学式エンコーダは、光源５と、光源５からの光を周期的な光量分布に変換するスケール板７と、スケール板７からの光を周期的に空間変調するスケール板８と、スケール板８からの光を通過させる開口を有するスケール板９と、スケール板９からの光を受光する受光素子１１などで構成され、スケール板７またはスケール板８に、周期Ｐの光学パターンおよび周期Ｐより長い周期Ｔの光学パターンとが重畳した像を発生する格子が設けられ、スケール板９の開口形状は、スケール板７，８が相対移動する際、受光素子１１の出力信号から周期Ｐの光学パターンによる信号成分が除去されるように設定される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、格子スケール間の相対移動量を光学的に検出できる光学式エンコーダに関する。

光学式エンコーダの一種として、３枚の格子スケール板を用いた光学式エンコーダが知られている（非特許文献１）。この光学式エンコーダは、３枚のスケール板が光進行方向に沿って順次配置され、各スケール板の主面が互いに平行で、スケール板上に設けられた格子の配列方向が一致するように設定されている。また、１枚目のスケール板の前段には、空間的に可干渉性の低い光源が設けられる。３枚目のスケール板の後段には、光量を電気信号に変換する受光素子が設けられる。

その動作に関して、光源が１枚目のスケール板を照射すると、空間的に可干渉性が低く、ある周期で並んだマルチスリット状の光量分布を有する２次光源が生成される。２枚目のスケール板は、ある光学的伝達関数(OTF)を持った空間周波数フィルタとして働き、２次光源の光量分布のうち特定の空間周波数成分のみが抽出されて、３枚目のスケール板上に結像される。３枚目のスケール板に設けられた格子の光透過部を透過した光は、受光素子によって電気信号に変換される。１枚目のスケール板または２枚目のスケール板が格子配列方向に沿って相対移動すると、この相対位置に相関のある出力信号が得られる。

例えば、１枚目のスケール板によって生成された２次光源の光量がある周期Ｐを持った正弦波状に分布しており、２枚目のスケール板に設けられた格子の光学的伝達関数が周期Ｐに対応した空間周波数を含む場合、３枚目のスケール位板上には周期Ｐの正弦波状の光量分布を持つ像が結像される。

このとき２枚目のスケール板の光学的伝達関数は、２枚目のスケール板の格子の周期、格子の開口形状、格子自体の形状（位相格子の場合）、２枚目のスケール板と１枚目および３枚目のスケール板の各間隔に依存する。一般には、３枚目のスケール板上に結像される光量分布のコントラストが良くなるような条件を選択して、光学式エンコーダを設計する。

特開昭６３−１５３４０８号公報 特開２００３−２４７８６４号公報 K. Hane and C. P. Grover, "Imaging with rectangular transmission gratings," J.Opt.Soc.Am.A4 706-711, 1987

特許文献１に記載されている光学式エンコーダは、３枚のスケール板とも矩形開口を有し、１枚目のスケール板と２枚目のスケール板の間隔と、２枚目のスケール板と３枚目のスケール板の間隔とは互いに等しく、２枚目のスケール板の格子周期をＰとして、１枚目および３枚目のスケール板の格子周期は、２倍に相当する２Ｐに設定している。

その動作に関して、１枚目のスケール板または２枚目のスケール板が格子配列方向に沿って相対移動すると、受光素子から、ある一定の振幅で一定の振幅中心値を持つ周期信号が出力される。この周期信号をカウントすることによって、スケール板の相対位置に対応した数値が得られ、インクリメンタル検出型のエンコーダとして動作する。

これに対して、絶対位置検出を行うアブソリュート検出型の光学式エンコーダが知れられている。スケール板は異なる周期の格子（目盛）を備えており、例えば、測定範囲内で１周期の光量変化を発生させる目盛からの透過光量あるいは反射光量による受光素子の出力信号により絶対位置の粗検出を行い、一方、複数周期の光量変化を発生させる目盛からの透過光量あるいは反射光量による受光素子の出力信号と組み合わせることで、精度の良い絶対位置検出が行える。

特許文献１に記載された光学式エンコーダにおいて、異なる周期の信号をさらに得るには、周期Ｐと異なる周期Ｑを持った格子を２枚目のスケール板上に、周期２Ｑを持った格子を１枚目のスケール板上にそれぞれ追加する必要がある。しかしながら、３枚目のスケール板上での光量分布において、１枚目のスケール板と同じ周期を有する基本周波数成分のコントラスト、即ち、検出信号のＡＣ／ＤＣ比が最大になるスケール板の間隔条件は、周期Ｐ，２Ｐの場合と周期Ｑ，２Ｑの場合とで相違する。

例えば、格子配列方向の格子の開口幅と格子周期の比が１：２（デューティ比：５０％）の場合、光の波長をλ、周期をＰ、スケール板の間隔Ｇとおいて、下記の式（１）を満たすとき、信号コントラストが最大となる。なお、ｎは０以上の整数である。

一例として、Ｐ＝５０μｍ、λ＝５００ｎｍ、ｎ＝１のとき、間隔Ｇ＝１０ｍｍで信号コントラストが最大となるが、絶対位置検出用の格子周期Ｑ＝４００μｍ、λ＝５００ｎｍ、ｎ＝１のときは、間隔Ｇ＝６４０ｍｍで信号コントラストが最大になる。つまり、同じｎの値で同じスケール板間隔のとき、両格子による信号コントラストを同時に最大にすることはできない。

周期Ｐ＝５０μｍの格子においてｎ＝６４とすれば、周期Ｑ＝４００μｍの格子と両立できるものの、間隔Ｇが周期Ｑの格子に依存して、周期Ｑが大きくなればスケール板の間隔Ｇを広げなければならず、エンコーダ全体が大型化してしまう。また、スケール板間隔を広げると、光源から受光素子までの距離も長くなるため、受光量が減少してしまう。

別の特許文献２には、短周期の格子を構成する目盛りの深さあるいは光学濃度を格子配列方向に変化させて、短周期目盛りおよび長周期目盛りを単一トラック上に設けた絶対位置検出型エンコーダが記載されている。しかしながら、短周期目盛りの深さあるいは光学濃度を格子配列方向に変化させたスケール板は、製造コストが高くなる。

本発明の目的は、複数の周期を有する格子を低コストで実現でき、エンコーダ全体の小型化、薄型化が図られ、高精度の絶対位置検出を実施できる光学式エンコーダを提供することである。

本発明に係る光学式エンコーダは、光源と、
光源からの光を周期的な光量分布に変換するための第１スケール板と、
第１スケール板からの光を周期的に空間変調するための第２スケール板と、
第２スケール板からの光を通過させる開口を有する第３スケール板と、
第３スケール板からの光を受光するための受光素子とを備え、
第１スケール板または第２スケール板に、周期Ｐの光学パターンおよび周期Ｐより長い周期Ｔの光学パターンが重畳した像を発生するための格子が設けられ、
第３スケール板の開口形状は、第１スケール板または第２スケール板が相対移動する際、受光素子が出力する信号から周期Ｐの光学パターンによる信号成分が除去されるように設定されていることを特徴とする。

本発明によれば、第１または第２のスケール板に設けられた格子が短周期Ｐおよび長周期Ｔの光学パターンを発生した場合、第３スケール板の開口形状を適切に設定することによって、受光素子からの出力信号から短周期Ｐに対応した周波数成分を除去しつつ、長周期Ｔに関する信号コントラストが最大になるようにスケール板の間隔を設定できる。そのためエンコーダ全体の小型化、薄型化が図られる。また、光源から受光素子までの距離を短縮できるため、受光素子での受光量が増加して、信号のＳ／Ｎ比を改善できる。

実施の形態１．
図１は、本発明の第１実施形態を示す構成図である。光学式エンコーダは、光進行方向に沿って、光源５と、第１のスケール板７と、第２のスケール板８と、第３のスケール板９と、受光素子１１などで構成される。

光源５は、ＬＥＤなどで構成され、中心波長λで、空間的に干渉性の低い光（インコヒーレント光）６を放射する。

スケール板７には、透過部と遮光部とが交互に配置された振幅格子が設けられ、光源からの光を周期的な光量分布に変換している。スケール板８にも、透過部と遮光部とが交互に配置された振幅格子が設けられ、スケール板７からの光を周期的に空間変調している。スケール板９には、所定の寸法を有する開口が設けられ、スケール板８からの光のうち特定の光量分布だけを抽出している。

受光素子１１は、フォトダイオード等で形成され、スケール板９の開口を通過した光を電気信号に変換する。受光素子１１の後段には、電流−電圧変換回路、コンパレータ回路やカウンタ回路などが設けられ、スケール板７，８が相対的に移動する際、その信号強度の変化を測定することによって、スケール板７，８の相対移動量を検出することができる。

図２は、スケール板８の格子パターンの一例を示す平面図である。スケール移動方向をｘ軸とし、スケール移動方向に垂直な方向をｙ軸として、この格子の開口１のｘ方向に沿った幅はＷ、格子の配列周期はＰである。開口１のｙ方向の幅は、２つの曲線ｆ（ｘ）、ｇ（ｘ）により定義される包絡線２と包絡線３で挟まれる間隔と等しくなる。なお理解容易のため、図２では開口１を斜線部で示し、開口１以外は光が透過しない遮光部である。

図２に示すように、曲線ｆ（ｘ）、ｇ（ｘ）は周期Ｔで正弦波状に変化し、例えば、下記の式（２）（３）で表すことができる。曲線ｆ（ｘ）、ｇ（ｘ）は、座標（０，ｙ１）の起点４を基準に描かれ、ｘ軸に関して対称である。但し、ａ−ｂ≧０である。

図１に戻って、光源５から出た光６は、第１のスケール板７、第２のスケール板８を通過し、さらに第３のスケール板９の各遮光部１０以外の透過部を通過した後、受光素子１１によって受光される。全てのスケール板７〜９は、矩形開口による格子が配列されており、第２のスケール板８の透過部のｙ方向の幅は、上述のように曲線ｆ（ｘ）、ｇ（ｘ）に従って変化しているのに対して、第１および第３のスケール板７、９の透過部のｙ方向の幅は一定値であり、スケール板８のｙ方向の最大幅より大きいことが望ましい。

本実施形態では、スケール板７とスケール板８との間隔およびスケール板８とスケール板９との間隔は共にｚに設定し、スケール板７およびスケール板８に設けられた格子の周期は共にＰに設定している。また、スケール板９における透過部のｘ方向の幅はｎ×Ｐに設定しており、図１ではｎ＝１の場合を示している。間隔ｚの値は、スケール板９上の像のうち周期Ｐの像、即ち、第１のスケール板７上に設けられた格子の基本周期Ｐの像のコントラストが最も良くなるように、下記の式（４）で得られる値に設定する。なお、ｎは０以上の整数であり、λは光源５の中心波長である。

スケール板９上には、スケール板８の格子パターンによって、長周期Ｔの光学パターンと短周期Ｐの光学パターンとが重畳した像が結像される。スケール板８がｘ方向に移動すると、スケール板９上のある点では、図３（ａ）に示すように、長周期Ｔおよび短周期Ｐの重畳パターンに対応した光量変化が現れる。縦軸は光量変化を示し、横軸はスケール板８の相対位置を示す。

この光量分布変化をスケール板９を介して受光素子１１で受光すると、その出力信号は、図３（ｂ）に示すように変化する。縦軸は光量変化を示し、横軸はスケール板８の相対位置を示す。スケール板９の透過部のｘ方向の幅は周期Ｐまたはその整数倍であるため、周期Ｐに関する光学パターンは、一周期分またはその整数倍の範囲に渡る積分によってキャンセルされる。その結果、出力信号は、周期Ｐに対応した周波数成分が除去され、長周期Ｔに対応した正弦波状の信号が支配的となる。

このようにスケール板９の透過部の寸法を適切に設計することによって、従来のスケール板間隔条件に拘束されることなく、長周期Ｔに関する信号コントラスト、即ちＡＣ／ＤＣ比が大きくなるようにスケール板の間隔を設定することができる。そのためエンコーダ全体の小型化、薄型化が図られる。また、光源５から受光素子１１までの距離を短縮できるため、受光素子１１での受光量が増加して、信号のＳ／Ｎ比を改善できる。

なお本実施形態では、間隔ｚを式（４）で計算した値に設定した例を示したが、それ以外の値に設定しても構わない。

また本実施形態では、スケール板７とスケール板８との間隔が、スケール板８とスケール板９との間隔と等しい例を示したが、所定の信号コントラストが得られれば、両者の間隔は相違しても構わない。

また本実施形態では、スケール板７の格子周期とスケール板８の格子周期とが等しい例を示したが、両者の格子周期は相違しても構わない。

なお、スケール板の間隔や格子周期などの設定条件によっては、格子周期Ｐを有するスケール板８が、スケール板９上に周期Ｐ’（≠Ｐ）の像を結像させることがある。この場合、スケール板９における透過部のｘ方向の幅は、格子周期Ｐ’のほぼ整数倍に設定することが望ましく、これにより受光素子１１からの出力信号から周期Ｐ’の周波数成分を除去することができる。さらに、スケール板８における長周期Ｔの格子パターンも、スケール板９上に長周期Ｔ’（≠Ｔ）のパターン像に結像されることから、スケール板９における透過部のｘ方向の幅は、長周期Ｔ’またはこの整数倍と一致しないように設定することが望ましい。

また本実施形態では、第３のスケール板９において単一の透過部を設けた例を示したが、複数の透過部を設けてもよく、これにより受光素子１１の受光量が増加して、信号のＳ／Ｎ比を改善できる。この場合、各透過部の幅は、スケール板９上に結像された像の短周期成分の周期Ｐ’のほぼ整数倍に設定することが望ましく、各透過部の間隔は任意に設定できる。一方、各透過部の幅を、スケール板９上に結像された像の短周期成分の周期Ｐ’のほぼ半分に設定した場合には、各透過部の中心間隔を（３Ｐ／２＋ｎ×Ｐ’）に設定し、各透過部の幅の合計を周期Ｐ’のほぼ整数倍に設定することが望ましい。なお、複数の透過部を設けた場合、スケール板９上に結像された像の長周期成分の半周期Ｔ’／２の範囲内に全ての透過部を配置することが望ましい。

また本実施形態では、第１のスケール板７にｙ方向の幅が一定の格子を設けて、第２のスケール板８にｙ方向の幅が曲線ｆ（ｘ）、ｇ（ｘ）で変化する格子を設けた例を示したが、逆に、第１のスケール板７にｙ方向の幅が曲線ｆ（ｘ）、ｇ（ｘ）で変化する格子を設けて、第２のスケール板８にｙ方向の幅が一定の格子を設けても同様な効果が得られる。この場合、第１のスケール板を他の部材に対して相対的に移動させる。

また本実施形態では、曲線ｆ（ｘ）、ｇ（ｘ）が周期Ｔの正弦波関数である例を示したが、周期Ｔの三角波関数やその他の周期関数であっても同様な効果が得られる。また、曲線ｆ（ｘ）、ｇ（ｘ）がｘ軸に関して対称である例を示したが、周期Ｔの周期関数であればｘ軸に関して非対称であっても構わない。

また本実施形態では、スケール板７，８が相対的に直線移動するリニアエンコーダの例を示したが、本発明はスケール板７，８が相対的に角変位するロータリーエンコーダにも適用可能である。この場合、格子を円環状に配置するとともに、曲線ｆ（ｘ）、ｇ（ｘ）の代わりに、下記の式（５）、（６）のように回転角度θに依存する半径方向の関数ｆ（θ）、ｇ（θ）を用いて格子の各包絡線を定義できる。なお、ｒ１はスケール板上に設けられた格子パターンの中心半径、ｎは１以上の整数であり、ａ−ｂ≧０である。

また本実施形態では、第２のスケール板８が透過型である例を示したが、スケール板８は反射型でも構わない。この場合、スケール板８に関して同じ側にスケール板７，９を配置するため、スケール板７，９は共通のスケール板で実現することができる。この場合、短周期Ｐの光学パターンと長周期Ｔの光学パターンとを発生するための格子は、スケール板８に設けることが望ましい。

また本実施形態では、スケール板９の後方に受光素子１１を配置した例を示したが、スケール板９の透過部形状に一致した受光部を有する受光素子または受光素子アレイを配置することで、スケール板９と受光素子の各機能を兼用することができる。

また本実施形態では、第２のスケール板８において、長周期Ｔの格子パターンを１周期分だけ設けた例を示したが、２周期分またはこれ以上の周期を持つ格子パターンを設けても構わない。

実施の形態２．
本実施形態は、第１実施形態と同様な構成を有し、光学式エンコーダは、光進行方向に沿って、光源５と、第１のスケール板７と、第２のスケール板８と、第３のスケール板９と、受光素子１１などで構成されるが、スケール板９において複数の透過部を設けている点が相違する。

スケール板９での各透過部は、短周期Ｐとほぼ等しい幅を有し、透過部の中心間隔は（３Ｐ／２＋ｎ×Ｐ）に設定している。ここで、ｎは０以上の整数である。こうした構成により、受光素子１１の出力信号における短周期Ｐの重畳成分を低減しつつ、受光素子１１の受光量が増加して、信号のＳ／Ｎ比を改善できる。

実施の形態３．
図４は、本発明の第３実施形態に係る第２のスケール板の格子パターンの一例を示す平面図である。第２のスケール板１２には、２列の格子配列１３，１４が設けられる。

スケール移動方向をｘ軸とし、スケール移動方向に垂直な方向をｙ軸として、第１の格子配列１３は、図２と同様に、格子の開口１のｘ方向に沿った幅がＷ、格子の配列周期がＰであり、開口１のｙ方向の幅は、２つの曲線ｆ（ｘ）、ｇ（ｘ）により定義される包絡線２と包絡線３で規定される。なお、理解容易のため、図４では開口１を斜線部で示し、開口１以外は光が透過しない遮光部である。

第２の格子配列１４は、格子の開口１のｘ方向に沿った幅がＷ、格子の配列周期がＰであり、開口１のｙ方向の幅はｘ方向の位置によらず一定である。

光学式エンコーダは、図１と同様に、光進行方向に沿って、光源５と、第１のスケール板７と、第２のスケール板１２と、第３のスケール板９と、受光素子１１などで構成される。

スケール板７には、スケール板１２における２列の格子配列１３，１４に対応して、第１および第２の格子配列（不図示）が設けられる。スケール板７の各格子配列は、格子配列１４と同じパターン形状を有し、格子の開口のｘ方向の幅がＷ、格子の配列周期がＰであり、開口のｙ方向の幅はｘ方向の位置によらず一定である

スケール板９にも、スケール板１２における２列の格子配列１３，１４に対応して、実施の形態１、２と同様に短周期Ｐとほぼ等しい幅を有し、短周期Ｐによる信号成分を除去する第１および第２の格子配列（不図示）が設けられる。

受光素子１１として、各スケール板の第１格子配列群を通過した光を受光する第１の受光素子と、各スケール板の第２格子配列群を通過した光を受光する第２の受光素子とが、スケール板９の後方に配置される。

スケール板１２の格子配列１３は、開口１のｙ方向の幅が周期Ｔで変化しているため、スケール板７，９での第１格子配列は、格子配列１３のｙ方向の幅の最大値より大きいことが望ましい。

また、スケール板７において、第１格子配列および第２格子配列を一体化して、開口のｙ方向の幅が２列の格子配列１３，１４を包含するような単一の格子配列を設けても構わない。

動作に関して、スケール板１２がｘ方向に移動すると、第１の受光素子は、図３（ｂ）に示すように、格子配列１３に対応した長周期Ｔの正弦波状信号を出力し、一方、第２の受光素子は格子配列１４に対応した短周期Ｐの正弦波状信号を出力する。

本実施形態では、スケール板７とスケール板１２との間隔およびスケール板１２とスケール板９との間隔は共にｚに設定し、間隔ｚの値は、スケール板９上の像のうち周期Ｐの像、即ち、第１のスケール板７上に設けられた格子の基本周期Ｐの像のコントラストが最も良くなるように、下記の式（５）で得られる値に設定する。なお、ｎは０以上の整数であり、λは光源５の中心波長である。

このようにスケール板９の開口部の寸法を適切に設計することによって、従来のスケール板間隔条件に拘束されることなく、長周期Ｔに関する信号コントラストが大きく、および短周期Ｐに関する信号コントラストが最大になるようにスケール板の間隔を設定することができる。そのためエンコーダ全体の小型化、薄型化が図られる。また、光源から受光素子までの距離を短縮できるため、受光素子での受光量が増加して、信号のＳ／Ｎ比を改善できる。

なお本実施形態では、第２のスケール板１２において２列の格子配列１３，１４を設けた例を示したが、格子配列１３の長周期Ｔと異なる長周期を持った第３の格子配列を追加しても構わない。

また本実施形態では、第２のスケール板１２における格子配列１３，１４の短周期Ｐが一致している例を示したが、格子配列１３の短周期と格子配列１４の短周期が相違していても構わない。

また本実施形態では、スケール板７とスケール板１２との間隔が、スケール板１２とスケール板９との間隔と等しい例を示したが、所定の信号コントラストが得られれば、両者の間隔は相違しても構わない。

また本実施形態では、スケール板７の格子周期とスケール板１２における格子短周期とが等しい例を示したが、両者の格子周期は相違しても構わない。

なお、スケール板の間隔や格子周期などの設定条件によっては、格子周期Ｐを有する格子配列１３が、スケール板９上に周期Ｐ’（≠Ｐ）の像を結像させることがある。この場合、スケール板９における透過部のｘ方向の幅は、格子周期Ｐ’のほぼ整数倍に設定することが望ましく、これにより各受光素子からの出力信号から周期Ｐ’の周波数成分を除去することができる。さらに、スケール板１２における長周期Ｔの格子パターンも、スケール板９上に長周期Ｔ’（≠Ｔ）のパターン像を結像させることから、スケール板９における透過部のｘ方向の幅は、長周期Ｔ’またはこの整数倍と一致しないように設定することが望ましい。

また本実施形態では、第３のスケール板９において複数の透過部を有する格子配列を設けているため、各受光素子での受光量が増加して、信号のＳ／Ｎ比を改善できる。この場合、各透過部の幅は、スケール板９上に結像された像の短周期成分の周期Ｐ’のほぼ整数倍に設定することが望ましく、各透過部の間隔は任意に設定できる。一方、各透過部の幅を、スケール板９上に結像された像の短周期成分の周期Ｐ’のほぼ半分に設定した場合には、各透過部の中心間隔を（３Ｐ／２＋ｎ×Ｐ’）に設定し、各透過部の幅の合計を周期Ｐ’のほぼ整数倍に設定することが望ましい。なお、複数の透過部を設けた場合、スケール板９上に結像された像の長周期成分の半周期Ｔ’／２の範囲内に全ての透過部を配置することが望ましい。

また本実施形態では、第１のスケール板７にｙ方向の幅が一定の格子配列を設けて、第２のスケール板１２にｙ方向の幅が曲線ｆ（ｘ）、ｇ（ｘ）で変化する格子配列１３を設けた例を示したが、逆に、第１のスケール板７にｙ方向の幅が曲線ｆ（ｘ）、ｇ（ｘ）で変化する格子配列１３を設けて、第２のスケール板８にｙ方向の幅が一定の格子配列を設けても同様な効果が得られる。この場合、第１のスケール板を他の部材に対して相対的に移動させる。

また本実施形態では、曲線ｆ（ｘ）、ｇ（ｘ）が周期Ｔの正弦波関数である例を示したが、周期Ｔの三角波関数やその他の周期関数であっても同様な効果が得られる。また、曲線ｆ（ｘ）、ｇ（ｘ）がｘ軸に関して対称である例を示したが、周期Ｔの周期関数であればｘ軸に関して非対称であっても構わない。

また本実施形態では、スケール板７，１２が相対的に直線移動するリニアエンコーダの例を示したが、本発明はスケール板７，１２が相対的に角変位するロータリーエンコーダにも適用可能である。この場合、格子を円環状に配置するとともに、曲線ｆ（ｘ）、ｇ（ｘ）の代わりに、上記の式（５）、（６）のように、回転角度θに依存する半径方向の関数ｆ（θ）、ｇ（θ）を用いて格子の各包絡線を定義できる。

また本実施形態では、第２のスケール板１２が透過型である例を示したが、スケール板１２は反射型でも構わない。この場合、スケール板１２に関して同じ側にスケール板７，９を配置するため、スケール板７，９は共通のスケール板で実現することができる。この場合、短周期Ｐの光学パターンと長周期Ｔの光学パターンとを発生するための格子配列１３は、スケール板１２に設けることが望ましい。

また本実施形態では、スケール板９の後方に２つの受光素子を配置した例を示したが、スケール板９の透過部形状に一致した受光部を有する受光素子または受光素子アレイをそれぞれ配置することで、スケール板９と受光素子の各機能を兼用することができる。

また本実施形態では、第２のスケール板１２において、長周期Ｔの格子パターンを１周期分だけ設けた例を示したが、２周期分またはこれ以上の周期を持つ格子パターンを設けても構わない。

本実施形態では、格子配列１３，１４の格子配列周期は共にＰであったが、格子配列１３，１４による像のコントラストが十分な測定精度を実現する場合、同一である必要はない。例えば、格子配列１３の配列周期がＰ、格子配列１４の配列周期がＰ２とする。格子配列１４による像のコントラストが最大となった場合でも、格子配列１３による短周期が重畳した像のうち、短周期像のコントラストは最大とはならない。しかし、上述と同様に、受光素子の開口の設定により短周期像を除去することができ、長周期像のみを得ることができる。

実施の形態４．
図５は、本発明の第４実施形態に係る第２のスケール板の格子パターンの一例を示す平面図である。スケール移動方向をｘ軸とし、スケール移動方向に垂直な方向をｙ軸として、この格子配列は、格子の開口１５のｘ方向に沿った幅がＷｎであり、Ｗｎはｘ方向の位置に依存して変化している。また、格子の配列周期がＰであり、開口１５のｙ方向の幅はｘ方向の位置によらず一定である。なお、理解容易のため、図５では開口１５を斜線部で示し、開口１５以外は光が透過しない遮光部である。

開口１５のｘ方向の幅Ｗｎは、例えば下記の式（７）のように、周期Ｔの正弦波関数を含む周期関数で表現できる。但し、起点１６での開口１５がｎ＝０に相当し、起点１６から１周期Ｔのｘ位置での開口１５がｎ＝Ｎに相当する。なお、α−β≧０、α＋β≦Ｐ、Ｎ×Ｐ＝Ｔである。

光学式エンコーダは、図１と同様に、光進行方向に沿って、光源５と、第１のスケール板７と、図５に示す第２のスケール板と、第３のスケール板９と、受光素子１１などで構成される。

第１のスケール板７には、格子の配列周期Ｐの振幅格子が設けられ、その格子開口のｘ方向の幅Ｗおよびｙ方向の幅はｘ方向の位置によらず一定である。第３のスケール板９には、所定の寸法を有する開口が設けられる。

本実施形態では、スケール板７と第２のスケール板との間隔および第２のスケール板とスケール板９との間隔は共にｚに設定している。また、スケール板９における透過部のｘ方向の幅は周期Ｐまたはその整数倍に設定している。間隔ｚの値は、スケール板９上の像のうち周期Ｐの像、即ち、第１のスケール板７上に設けられた格子の基本周期Ｐの像のコントラストが最も良くなるように、下記の式（４）で得られる値に設定する。なお、ｎは０以上の整数であり、λは光源５の中心波長である。

スケール板９上には、図５に示す第２のスケール板の格子パターンによって、長周期Ｔの光学パターンと短周期Ｐの光学パターンとが重畳した像が結像される。スケール板９の透過部のｘ方向の幅は周期Ｐまたはその整数倍であるため、周期Ｐに関する光学パターンは、一周期分またはその整数倍の範囲に渡る積分によってキャンセルされる。その結果、出力信号は、周期Ｐに対応した周波数成分が除去され、長周期Ｔに対応した正弦波状の信号が支配的となる。

このようにスケール板９の透過部の寸法を適切に設計することによって、従来のスケール板間隔条件に拘束されることなく、長周期Ｔに関する信号コントラスト、即ちＡＣ／ＤＣ比が大きくなるようにスケール板の間隔を設定することができる。そのためエンコーダ全体の小型化、薄型化が図られる。また、光源５から受光素子１１までの距離を短縮できるため、受光素子１１での受光量が増加して、信号のＳ／Ｎ比を改善できる。

なお本実施形態では、間隔ｚを式（４）で計算した値に設定した例を示したが、それ以外の値に設定しても構わない。

また本実施形態では、スケール板７と第２のスケール板との間隔が、第２のスケール板とスケール板９との間隔と等しい例を示したが、所定の信号コントラストが得られれば、両者の間隔は相違しても構わない。

また本実施形態では、スケール板７の格子周期と第２のスケール板の格子周期とが等しい例を示したが、両者の格子周期は相違しても構わない。

なお、スケール板の間隔や格子周期などの設定条件によっては、格子周期Ｐを有する第２のスケール板が、スケール板９上に周期Ｐ’（≠Ｐ）の像を結像させることがある。この場合、スケール板９における透過部のｘ方向の幅は、格子周期Ｐ’のほぼ整数倍に設定することが望ましく、これにより受光素子１１からの出力信号から周期Ｐ’の周波数成分を除去することができる。さらに、第２のスケール板における長周期Ｔの格子パターンも、スケール板９上に長周期Ｔ’（≠Ｔ）のパターン像を結像させることから、スケール板９における透過部のｘ方向の幅は、長周期Ｔ’またはこの整数倍と一致しないように設定することが望ましい。

また本実施形態では、第３のスケール板９において単一の透過部を設けた例を示したが、複数の透過部を設けてもよく、これにより受光素子１１の受光量が増加して、信号のＳ／Ｎ比を改善できる。この場合、各透過部の幅は、スケール板９上に結像された像の短周期成分の周期Ｐ’のほぼ整数倍に設定することが望ましく、各透過部の間隔は任意に設定できる。一方、各透過部の幅を、スケール板９上に結像された像の短周期成分の周期Ｐ’のほぼ半分に設定した場合には、各透過部の中心間隔を（３Ｐ／２＋ｎ×Ｐ’）に設定し、各透過部の幅の合計を周期Ｐ’のほぼ整数倍に設定することが望ましい。なお、複数の透過部を設けた場合、スケール板９上に結像された像の長周期成分の半周期Ｔ’／２の範囲内に全ての透過部を配置することが望ましい。

また本実施形態では、第１のスケール板７にｘ方向の開口幅が一定の格子を設けて、第２のスケール板にｘ方向の開口幅Ｗｎが周期Ｔの周期関数で変化する格子を設けた例を示したが、逆に、第１のスケール板７にｘ方向の開口幅Ｗｎが周期Ｔの周期関数で変化する格子を設けて、第２のスケール板にｘ方向の開口幅が一定の格子を設けても同様な効果が得られる。この場合、第１のスケール板を他の部材に対して相対的に移動させる。

また本実施形態では、ｘ方向の開口幅Ｗｎが周期Ｔの正弦波関数で変化する例を示したが、周期Ｔの三角波関数やその他の周期関数であっても同様な効果が得られる。

また本実施形態では、第１および第２のスケール板が相対的に直線移動するリニアエンコーダの例を示したが、本発明は第１および第２のスケール板が相対的に角変位するロータリーエンコーダにも適用可能である。この場合、格子を円環状に配置するとともに、回転角をθとして、下記の式（８）のように、θ方向の開口幅Ｗｎ（θ）が周期的に変化する。なお、ｎは０以上の整数であり、ｃ、ｄは角度幅、Ｐ２は格子の角度短周期、Ｃは角度長周期である。なお、ｃ−ｄ≧０、ｃ＋ｄ≦Ｐ２、Ｎ×Ｐ２＝Ｃである。

また本実施形態では、第２のスケール板が透過型である例を示したが、第２のスケール板は反射型でも構わない。この場合、第２のスケール板に関して同じ側にスケール板７，９を配置するため、スケール板７，９は共通のスケール板で実現することができる。この場合、短周期Ｐの光学パターンと長周期Ｔの光学パターンとを発生するための格子は、第２のスケール板に設けることが望ましい。

また本実施形態では、スケール板９の後方に受光素子１１を配置した例を示したが、スケール板９の透過部形状に一致した受光部を有する受光素子または受光素子アレイを配置することで、スケール板９と受光素子の各機能を兼用することができる。

また本実施形態では、第２のスケール板に短周期Ｐおよび長周期Ｔを有する単一の格子配列を設けた例を示したが、図４と同様に、１枚のスケール板において短周期Ｐおよび長周期Ｔを有する第１の格子配列と、短周期Ｐを有する第２の格子配列を併設しても構わない。このとき、短周期および長周期を有する第１の格子配列による像のコントラストと短周期のみを有する格子配列による像のコントラストが十分な測定精度を実現する場合、短周期の値を同一にする必要はない。

また本実施形態では、第２のスケール板において、長周期Ｔの格子パターンを１周期分だけ設けた例を示したが、２周期分またはこれ以上の周期を持つ格子パターンを設けても構わない。

実施の形態５．
図６は、本発明の第５実施形態を示し、図６（ａ）はｙ方向から見た正面図、図６（ｂ）はｘ方向から見た側面図である。図６において、スケール移動方向をｘ軸、光軸方向をｚ軸、ｘ軸およびｚ軸に垂直な方向をｙ軸に設定している。

光学式エンコーダは、図１と同様に、光進行方向に沿って、光源１７と、シリンドリカルレンズ１８と、第１のスケール板７と、第２のスケール板８と、第３のスケール板９と、受光素子１１などで構成される。

光源１７は、ＬＥＤなどで構成され、ｘ方向に長いライン状の発光面を有し、中心波長λで、ｘ方向に空間的に干渉性の低い光（インコヒーレント光）６を放射する。

シリンドリカルレンズ１８は、ｙ方向だけの集光パワーを有し、光源１７からの発散光を空間的に干渉性が高く平行化された光１９に変換する。

スケール板８には、図４と同様に、２列の格子配列が設けられる。スケール板７，９にも、スケール板８における２列の格子配列に対応して、２列の格子配列がそれぞれ設けられる。

受光素子１１として、各スケール板の第１格子配列群を通過した光を受光する第１の受光素子と、各スケール板の第２格子配列群を通過した光を受光する第２の受光素子とが、スケール板９の後方に配置される。各受光素子のｙ方向に沿った幅Ｗｐは、各格子配列のｙ方向に沿った幅Ｗｔ以上であることが望ましい。

本実施形態では、各スケール板の格子配列領域がスケール移動方向と垂直なｙ方向に拡大している場合、シリンドリカルレンズ１８によるｙ方向に平行な光線を各スケール板に入射させることによって、受光素子間のクロストークを防止することができ、信号のＳ／Ｎ比を改善できる。

なお本実施形態では、各スケール板に複数の格子配列を設けた例を示したが、各スケール板に単一の格子配列を設けた場合にもシリンドリカルレンズによる平行光入射が適用可能である。

また本実施形態では、一方向集光素子としてシリンドリカルレンズを用いた例を示したが、プリズムやその他のアナモルフィック光学系を使用しても構わない。

実施の形態６．
図７は、本発明の第６実施形態を示し、図７（ａ）はｙ方向から見た正面図、図７（ｂ）はｘ方向から見た側面図である。図７において、スケール移動方向をｘ軸、光軸方向をｚ軸、ｘ軸およびｚ軸に垂直な方向をｙ軸に設定している。

光学式エンコーダは、図６と同様に、光進行方向に沿って、光源２１と、レンズ２２と、ディヒューザ(diffuser)２４と、第１のスケール板７と、第２のスケール板８と、第３のスケール板９と、受光素子１１などで構成される。

光源２１は、ＬＥＤなどで構成され、中心波長はλである。

レンズ２２は、光源２１からの発散光を平行化された光２３に変換する。

ディヒューザ２４は、ホログラムやＣＧＨ(Computer-Generated Hologram)などで製作された光拡散素子であり、ほぼｘ方向のみに光を散乱させる機能を有する。ディヒューザ２４に入射した光２３は、ほぼｘ方向のみに散乱し、ｙ方向には散乱せず、ｘ方向に空間的干渉性の低い光２５に変換される。

スケール板８には、図４と同様に、２列の格子配列が設けられる。スケール板７，９にも、スケール板８における２列の格子配列に対応して、実施の形態３と同様に２列の格子配列がそれぞれ設けられる。

受光素子１１として、各スケール板の第１格子配列群を通過した光を受光する第１の受光素子と、各スケール板の第２格子配列群を通過した光を受光する第２の受光素子とが、スケール板９の後方に配置される。各受光素子のｙ方向に沿った幅Ｗｐは、各格子配列のｙ方向に沿った幅Ｗｔ以上であることが望ましい。

本実施形態では、各スケール板の格子配列領域がスケール移動方向と垂直なｙ方向に拡大している場合、レンズ２２とディヒューザ２４によるｙ方向に平行な光線を各スケール板に入射させることによって、受光素子間のクロストークを防止することができ、信号のＳ／Ｎ比を改善できる。

なお本実施形態では、各スケール板に複数の格子配列を設けた例を示したが、各スケール板に単一の格子配列を設けた場合にもレンズによる平行光入射が適用可能である。

以上の各実施形態において、第１のスケール板および第２のスケール板において透過部と遮光部とが交互に配置された振幅格子を設けた例を示したが、第１のスケール板および第２のスケール板のいずれか一方または両方に光の位相を変化させる位相格子を設けてもよく、これによって受光素子での受光量が増加して、信号のＳ／Ｎ比を改善できる。

本発明の第１実施形態を示す構成図である。 スケール板８の格子パターンの一例を示す平面図である。 図３（ａ）は長周期Ｔおよび短周期Ｐの光量変化を示すグラフであり、図３（ｂ）は受光素子１１の出力信号を示すグラフである。 本発明の第３実施形態に係る第２のスケール板の格子パターンの一例を示す平面図である。 本発明の第４実施形態に係る第２のスケール板の格子パターンの一例を示す平面図である。 本発明の第５実施形態を示し、図６（ａ）はｙ方向から見た正面図、図６（ｂ）はｘ方向から見た側面図である。 本発明の第６実施形態を示し、図７（ａ）はｙ方向から見た正面図、図７（ｂ）はｘ方向から見た側面図である。

符号の説明

１，１５ 開口、 ２，３ 包絡線、 ４，１６ 起点、 ５，１７，２１ 光源、 ６，１９ 光、 ７，８，９，１２ スケール板、 １０ 遮光部、 １１ 受光素子、 １３，１４ 格子配列、 １８ シリンドリカルレンズ、 ２２ レンズ、 ２４ ディヒューザ。

Claims (6)

1. 光源と、
   光源からの光を周期的な光量分布に変換するための第１スケール板と、
   第１スケール板からの光を周期的に空間変調するための第２スケール板と、
   第２スケール板からの光を通過させる開口を有する第３スケール板と、
   第３スケール板からの光を受光するための受光素子とを備え、
   第１スケール板または第２スケール板に、周期Ｐの光学パターンおよび周期Ｐより長い周期Ｔの光学パターンが重畳した像を発生するための格子が設けられ、
   第３スケール板の開口形状は、第１スケール板または第２スケール板が相対移動する際、受光素子が出力する信号から周期Ｐの光学パターンによる信号成分が除去されるように設定されていることを特徴とする光学式エンコーダ。
2. 前記格子は、スケール移動方向に沿った格子ピッチが周期Ｐであり、スケール移動方向に垂直な方向に沿った格子幅が周期Ｔの包絡線で定義されることを特徴とする請求項１記載の光学式エンコーダ。
3. 前記格子は、スケール移動方向に沿った格子ピッチが周期Ｐであり、スケール移動方向に沿った格子幅が周期Ｔを持つ関数で定義されることを特徴とする請求項１記載の光学式エンコーダ。
4. 第１スケール板または第２スケール板に、前記格子と共に、周期Ｐの光学パターンのみを発生するための第２の格子がさらに設けられることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光学式エンコーダ。
5. 第１スケール板または第２スケール板に、前記格子と共に、周期Ｐ２（≠Ｐ）の光学パターンのみを発生するための第２の格子がさらに設けられることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光学式エンコーダ。
6. 光源からの光を、スケール移動方向において空間的に干渉性が低く、スケール移動方向に垂直な方向において空間的に干渉性が高く平行化された光に変換するための光学系を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光学式エンコーダ。

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