JP2005326231A - 光電式エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】 移動格子の２軸方向の変位を測定でき、小型で安価、かつ、動作安定度の高い光電式エンコーダの提供。
【解決手段】 移動格子５には、回折格子４の−１次回折光である光束１１と＋１次回折光である光束１２とが入射する。光束１１，１２は移動格子５およびインデックス格子６により順に回折を受け、移動格子５の０次光である光束１１０と＋１次回折光である光束１１１との干渉光が受光素子Ａで検出され、移動格子５の０次光である光束１２０と＋１次回折光である光束１１１との干渉光が受光素子Ｂで検出される。受光素子Ａ，Ｂの出力信号に基づいて、エンコーダ処理回路７で干渉光強度の位相情報等の演算が行われ、その位相情報に基づき移動格子５のｘ軸移動情報およびｚ軸移動情報が得られる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光学的に移動信号を生成し、これらの光電変換信号を変位情報として用いる光電式エンコーダに関する。

従来、光ヘテロダイン干渉のビート信号を利用し、移動スケールの移動方向およびギャップ方向の検出が可能な位置検出装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この位置検出装置では、レーザ出射光に含まれる周波数ｆ１の光と周波数ｆ２の光を分離し、それらの光を±１次回折光が発生する入射角度で移動スケールに入射させる。そして、移動格子の法線方向に出射する±１次回折光を干渉させてビート信号を発生させ、この信号位相差に移動スケールの移動情報をのせている。

一方、ギャップ方向の計測では、周波数ｆ２の光を３次回折光が発生する角度で移動スケールに入射させると、周波数ｆ１の＋１次回折光とｆ２の−１次回折光とが干渉してビート信号が発生する。このビート信号には移動スケールの移動情報とギャップ情報とがのっているので、ここで得られる位相情報から上記移動情報を減算（または加算）することでギャップ情報を取得するようにしている。

特公平６−６３７３９号公報

しかしながら、上述した従来の装置では、光源として横ゼーマンレーザ等を用いているため装置が大型になり、かつ高価であった。また、光路途中に多数の偏光素子やミラーが必要なために、光路が非常に長くなり装置が不安定になる可能性があった。

請求項１の発明による光電式エンコーダは、光源と、光源の光から、互いに異なる方向に進む少なくとも第１および第２の光束を生成する光学系と、第１および第２の光束が入射し、第１および第２の光束の各々について０次光を含む複数の回折光をそれぞれ生成する第１の回折格子と、第１の光束から生成された複数の回折光のいずれか一つと他の一つとにより生じる第１の干渉光と、第２の光束から生成された複数の回折光のいずれか一つと他の一つとにより生じる第２の干渉光とを生成する第２の回折格子と、第１の干渉光を検出する第１の検出部と、第２の干渉光を検出する第２の検出部と、第１および第２の検出部の検出結果から算出される位相情報に基づく演算を行う演算部とを備え、第１および第２の回折格子のうちの一方は可動物体に固定された移動格子であって、演算部は移動格子の移動方向の変位および移動格子に垂直な方向の変位を演算することを特徴とする。
請求項２の発明による光電式エンコーダは、光源と、光源の光から、互いに異なる方向に進む第１、第２および第３の光束を生成する光学系と、第１、第２および第３の光束が入射し、第１、第２および第３の光束の各々について０次光を含む複数の回折光をそれぞれ生成する第１の回折格子と、第１の光束から生成された複数の回折光のいずれか一つと、第２の光束から生成された複数の回折光のいずれか一つとにより第１の干渉光を生成するとともに、第２の光束から生成された複数の回折光の内で前記第１の干渉光を生じた回折光とは異なる回折光と、第３の光束から生成された複数の回折光のいずれか一つにとより第２の干渉光を生成する第２の回折格子と、第１の干渉光を検出する第１の検出部と、第２の干渉光を検出する第２の検出部と、第１および第２の検出部の検出結果から算出される位相情報に基づく演算を行う演算部とを備え、第１および第２の回折格子のうちの一方は可動物体に固定された移動格子であって、演算部は移動格子の移動方向の変位および移動格子に垂直な方向の変位を演算することを特徴とする。

本発明によれば、移動格子の２軸方向の変位を測定でき、従来と比較して光学部品点数の非常に少ない、小型で安価な光電式エンコーダを提供することができるとともに、光路が短いため動作安定度の高い光電式エンコーダを実現できる。

以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。
−第１の実施の形態−
図１は本発明による光電式エンコーダの第１の実施の形態を示す図であり、エンコーダの主要構成を示したものである。本実施の形態のエンコーダは、光源１，コリメートレンズ２，光束分割素子として機能する回折格子４，位置測定の対象物に固定される移動格子５，干渉光を生成するためのインデックス格子６，干渉光を検出する受光素子Ａ，Ｂおよびエンコーダ処理回路７を備えている。なお、エンコーダ処理回路７はエンコーダ側に設けられても良いし、エンコーダの出力信号に基づいて制御されるアクチュエータの制御回路に含まれるようにしても良い。

図１に示すエンコーダでは、後述するように移動格子５のｘ方向およびｚ方向の移動情報を検出して、基準位置からのｘ位置およびｚ位置を測定する。光源１から出射された光は、コリメートレンズ２により平行光とされる。なお、光源１にはレーザ光源や発光ダイオード（ＬＥＤ）等が用いられる。コリメートレンズ２により平行光とされた光束３は、光束分割素子として機能する透過型の回折格子４に入射する。光束３は回折格子４により±１次回折を受け、回折格子４からは−１次回折光である光束１１と＋１次回折光である光束１２とが出射される。

光束１１は移動格子５およびインデックス格子６により順に回折を受け、それらの回折光の干渉により生じる干渉光強度を受光素子Ａで検出する。すなわち、光束１１は移動格子５の回折を受け、移動格子５から０次光である光束１１０と＋１次回折光である光束１１１とが出射される。

後述するように光束１１０は干渉の際の参照光として用いられる光であり、インデックス格子６で＋１次回折されて受光素子Ａに入射する。一方、光束１１１については、インデックス格子６の０次回折光が信号光として受光素子Ａに入射する。言い換えれば、受光素子Ａは、光束１１０，１１１の干渉光が検出される位置に配置される。

光束１２についても移動格子５およびインデックス格子６により順に回折を受け、それらの回折光の干渉により生じる干渉光強度を受光素子Ｂで検出する。光束１２は移動格子５の回折を受け、移動格子５から参照光として用いられる０次回折光の光束１２０と信号光として用いられる−１次回折された光束１２１とが出射される。光束１２０はインデックス格子６で−１次回折されて受光素子Ｂに入射し、光束１２１についてはインデックス格子６の０次回折光が信号光として受光素子Ｂに入射する。言い換えれば、受光素子Ｂは、光束１２０，１２１の干渉光が検出される位置に配置される。

なお、図１では、光束１１，１２以降の光束については、光束の中心軸のみを記載した。このように、本実施の形態では、異なる２種類の干渉光が受光素子Ａ，Ｂでそれぞれ検出される。受光素子Ａ，Ｂから出力される受光信号はエンコーダ処理回路７に入力され、エンコーダ処理回路７において後述する干渉光強度の位相情報等の演算が行われる。

以下では、移動格子５の格子ピッチとインデックス格子６の格子ピッチとが同一ピッチｐであるとして説明するが、必ずしも同一ピッチである必要はない。また、光束分離素子である回折格子４の格子ピッチは任意に選んで良い。

《原理の説明》
上述したように、本発明のエンコーダでは、移動格子５に２つの光束１１，１２を入射し、各々の光束１１，１２に関して得られる干渉光をそれぞれ受光素子Ａ，Ｂで検出して移動格子５のｘ方向（移動方向）への移動およびｚ方向への移動を検出するようにしている。その際、移動する格子により散乱される光のドップラーシフトを利用して、移動格子の移動情報に基づいて計測を行っている。そこで、図１のエンコーダにおける計測方法を説明する前に、レーザドップラーシフトの原理について、図２の原理図を参照しながら説明する。

図２はドップラーシフトを説明する図であり、１００は被測定物体である。まず、被測定物体１００がｘ軸プラス方向に速度ベクトルＶ_Ｘで移動している場合について考える。この被測定物体１００に波数ベクトルＫ_Ｏの光が角度αで入射し角度β方向に散乱された光（波数ベクトルＫ_Ｓ）のドップラーシフトｆ_ＤＸは、以下のようにして算出される。ここでは、図２に示したようにベクトルＶ_Ｘ，Ｋ_Ｏ，Ｋ_Ｓが同一平面（ｘｚ平面）内にある場合を考え、角度α、βはｚ軸との成す角を表している。

このとき、ドップラーシフトｆ_ＤＸは次式（１）で表される。式（１）において、右辺第１式はベクトル（Ｋ_Ｓ−Ｋ_Ｏ）とベクトルＶ_Ｘとの内積式であり、右辺第２式、第３式は内積を具体的に計算したものである。ここで、角度θはベクトル（Ｋ_Ｓ−Ｋ_Ｏ）とｘ軸との成す角を表している。また、ｋは波数ベクトルＫ_Ｏ，Ｋ_Ｓの絶対値である波数を表しており、その値は２π／λである。ｖ_ＸはベクトルＶ_Ｘの絶対値である。
２πｆ_ＤＸ＝（Ｋ_Ｓ−Ｋ_Ｏ）・Ｖ_Ｘ
＝｜Ｋ_Ｓ−Ｋ_Ｏ｜×｜Ｖ_Ｘ｜×cosθ
＝[２ｋcos(α/2−β/2)]×ｖ_Ｘcosθ …（１）

ここで、図２の角度θを角度α、βで表すと次式（２）のようになるので、式（１）は式（３）のように変形できる。
θ＝π/2−(α/2＋β/2) …（２）
２πｆ_ＤＸ＝２ｋｖ_Ｘcos(α/2−β/2)×cos［π/2−(α/2＋β/2)］
＝ｋｖ_Ｘ×［sin(α)＋sin(β)］ …（３）

次に、被測定物体１００がｚ軸プラス方向に速度ベクトルＶ_Ｚ（｜Ｖ_Ｚ｜＝ｖ_Ｚ）で移動している場合について考える。この場合も速度ベクトルＶ_Ｘの場合と同様に計算することにより散乱光のドップラーシフトｆ_ＤＺが得られ、それは次式（４）のように表される。
２πｆ_ＤＺ＝[２ｋcos(α/2−β/2)]×ｖ_Ｚcos(π/2−θ)
＝２ｋｖ_Ｚcos(α/2−β/2)×cos(α/2＋β/2)
＝ｋｖ_Ｚ×［cos(α)＋cos(β)］ …（４）

式（３），（４）は振動数シフト量と移動速度との関係を示したものであるが、これらの両辺に時間Δｔを乗算すると、次式（５），（６）で表されるような被測定物体１００の位置変化Δｘ，Δｚと位相変化φ_Ｘ，φ_Ｚとの関係が得られる。そして、被測定物体１００がｘ方向およびｚ方向の両方向に移動している場合には、φ_Ｘとφ_Ｚとの和が散乱光の位相シフト量φとなり、式（７）のように表される。
φ_Ｘ＝ｋΔｘ×［sin(α)＋sin(β)］ …（５）
φ_Ｚ＝ｋΔｚ×［cos(α)＋cos(β)］ …（６）
φ＝ｋΔｘ×［sin(α)＋sin(β)］＋ｋΔｚ×［cos(α)＋cos(β)］ …（７）

ここで、被測定物体１００がピッチｐの回折格子の場合を考える。第１の光束は回折格子に入射角度α１で入射し、出射角度β方向にｎ次回折光が出射される。第２の光束は回折格子に入射角度α２で入射し、同じ出射角度β方向にｍ次回折光が出射される。各回折光の位相シフト量φ１，φ２は式（７）を用いて算出され、次式（８），（９）で与えられる。
φ１＝ｋΔｘ×［sin(α１)＋sin(β)］＋ｋΔｚ×［cos(α１)＋cos(β)］ …（８）
φ２＝ｋΔｘ×［sin(α２)＋sin(β)］＋ｋΔｚ×［cos(α２)＋cos(β)］ …（９）

出射角度β方向に出射された位相シフト量φ１の光束と位相シフト量φ２の光束とが干渉した場合、干渉光の位相情報ψは次式（１０）で表される。なお、ψはcos関数の位相項であるので、位相情報は絶対値情報として得られる。
ψ＝φ１−φ２
＝ｋΔｘ・[sin(α１)＋sin(β)]＋ｋΔｚ・[cos(α１)＋cos(β)]
−ｋΔｘ・[sin(α２)＋sin(β)]−ｋΔｚ・[cos(α２)＋cos(β)]
＝ｋΔｘ×［sin(α１)−sin(α２)］＋ｋΔｚ×［cos(α１)−cos(α２)］…（１０）

ここで、格子のピッチはｐなので、入射角度α１とｎ次回折光の出射角度βとの間には次式（１１）の関係が成り立ち、入射角度α２とｍ次回折光の出射角度βとの間には次式（１２）の関係（回折条件）が成り立つ。そして、式（１１），（１２）を式（１０）に代入すると、位相情報ψとして式（１３）を得る。
sin(α１)＋sin(β)＝ｎλ／ｐ …（１１）
sin(α２)＋sin(β)＝ｍλ／ｐ …（１２）
ψ＝ｋΔｘ×［sin(α１)−sin(α２)］＋ｋΔｚ×［cos(α１)−cos(α２)］
＝２π（ｎ−ｍ）Δｘ／ｐ＋ｋΔｚ×［cos(α１)−cos(α２)］ …（１３）

《エンコーダにおける測定方法の説明》
図１に示した本実施の形態のエンコーダでは、上述したような原理に基づいて、具体的には式（１０），（１３）により得られる位相情報を用いることによって、移動格子５のｘ方向およびｚ方向の移動情報を検出するようにしている。図３は回折格子４以降の光束の様子を図１のｙ軸マイナス方向から見た模式図であり、この図３を参照しながら受光素子Ａ，Ｂにおける干渉光強度について説明する。

（受光素子Ａ）
まず、受光素子Ａの干渉光強度について説明する。回折格子４で−１次回折を受けて角度ａ方向に出射される光束１１は、入射角度ａで移動格子５に入射する。ここで、入射角度および出射角度については、垂線から右回りの角度をプラス方向とする。光束１１が入射角度ａで移動格子５に入射すると、＋１次回折された光束１１１は角度ｂで出射され、０次回折光である光束１１０は入射角度ａでインデックス格子６に入射する。

インデックス格子６に入射した光束１１０は＋１次回折され、角度ｂで出射して受光素子Ａに入射する。一方、移動格子５で＋１次回折された光束１１１はインデックス格子６を直進して受光素子Ａに入射する。上述したように、移動格子５およびインデックス格子６は同一格子ピッチｐを有しており、＋１次回折の際の入射角度ａと出射角度ｂとの間には回折条件である次式（１４）が成り立っている。
sin(ａ)＋sin(ｂ)＝λ／ｐ …（１４）

移動格子５の０次回折光である光束１１０は、移動格子５の移動の影響であるドップラーシフトを受けない。すなわち、光束１１０の場合には入射光１１の波数ベクトルＫ_Ｏと散乱光１１０の波数ベクトルＫ_Ｓとが等しいので、ベクトル（Ｋ_Ｏ−Ｋ_Ｓ）はゼロベクトルとなる。その結果、ドップラーシフトｆ_ＤＸ，ｆ_ＤＺはいずれもゼロとなって、光束１１０の位相シフト量もゼロとなる。

すなわち、移動格子５の移動の影響を受けるのは移動格子５で±１次回折された光だけであり、本実施の形態では移動格子５で±１次回折された光（光束１１１，１２１）を信号光として用い、移動格子６を直進してインデックス格子６で±１次回折された光（光束１１０，１２０）を参照信号として用いる。

そのため、図３のように、受光素子Ａの右側にずれた光束１１１の位相シフト量をφ１、受光素子Ａの左側にずれた光束１１０の位相シフト量をφ２とすると、受光素子Ａで生じる信号光と参照光との干渉強度の位相情報ψ_Ａは、上述した式（１０）においてφ２＝０として計算すれば良い。そして、式（１０）でα１＝ａ、β＝ｂとおき、式（１４）を用いると、位相情報ψ_Ａは次式（１５）のように表される。
ψ_Ａ＝φ１
＝ｋΔｘ・[sin(ａ)＋sin(ｂ)]＋ｋΔｚ・[cos(ａ)＋cos(ｂ)]
＝ｋΔｘ・λ／ｐ＋ｋΔｚ・[cos(ａ)＋cos(ｂ)]
＝２πΔｘ／ｐ＋ｋΔｚ・[cos(ａ)＋cos(ｂ)] …（１５）

（受光素子Ｂ）
次に、受光素子Ｂの干渉光強度について説明する。回折格子４で＋１次回折を受けて角度−ａ方向に出射される光束１２は、入射角度−ａで移動格子５に入射する。光束１２が入射角度−ａで移動格子５に入射すると、−１次回折された光束１２１は角度−ｂで出射され、０次回折光である光束１２０は入射角度−ａでインデックス格子６に入射する。

インデックス格子６に入射した光束１２０は−１次回折され、角度−ｂで出射して受光素子Ａに入射する。一方、移動格子５で−１次回折された光束１２１はインデックス格子６を直進して受光素子Ａに入射する。光束１２０，１２１の場合も、−１次回折の際の入射角度−ａと出射角度−ｂとの間には上述した式（１４）が成り立っている。

光束１２０も上述した光束１１０の場合と同様に移動格子５で０次回折された光なので、散乱の際にドップラーシフトを受けず位相シフト量はゼロである。そのため、図３のように、受光素子Ｂの右側にずれた光束１２０の位相シフト量をφ１、受光素子Ｂの左側にずれた光束１２１の位相シフト量をφ２とすると、受光素子Ｂで生じる信号光と参照光との干渉強度の位相情報ψ_Ｂは、上述した式（１０）においてφ１＝０として計算すれば良い。そして、式（１０）でα１＝−ａ、β＝−ｂとおき式（１４）を用いると、位相情報ψ_Ｂは次式（１６）のように表される。
ψ_Ｂ＝−φ２
＝−ｋΔｘ・[sin(−ａ)＋sin(−ｂ)]−ｋΔｚ・[cos(−ａ)＋cos(−ｂ)]
＝ｋΔｘ・[sin(ａ)＋sin(ｂ)]−ｋΔｚ・[cos(ａ)＋cos(ｂ)]
＝２πΔｘ／ｐ−ｋΔｚ・[cos(ａ)＋cos(ｂ)] …（１６）

このようにして、受光素子Ａ，Ｂのそれぞれについて干渉光強度の位相情報ψ_Ａ，ψ_Ｂが得られる。図１のエンコーダ処理回路７は干渉信号の位相角を計算して出力するようになっているので、各受光素子Ａ，Ｂの出力を処理した後にそれらの信号の和算および減算を行うと、上述した位相情報ψ_Ａ，ψ_Ｂに基づく移動格子５のｘ軸移動情報およびｚ軸移動情報、すなわち２自由度の情報を得ることができる。
（ｘ軸移動情報）
ψ_Ａ＋ψ_Ｂ＝４πΔｘ／ｐ
（ｚ軸移動情報）
ψ_Ａ−ψ_Ｂ＝２ｋΔｚ・[cos(ａ)＋cos(ｂ)]

これらの値Δｘ，Δｚは所定時間あたりの移動量を表しており、例えば、所定時間間隔で繰り返し検出する場合には時間間隔あたりの移動量を表している。そのため、移動格子５のｘ位置およびｚ位置は、これらの移動情報と予め取得した基準位置とから算出することができる。基準位置としては、例えばエンコーダの電源投入時の位置などが選ばれる。また、図１に示した例では光源側から移動格子５、インデックス格子６の順に配置したが、逆に、インデックス格子６、移動格子５の順に配置しても良い。なお、上述した実施の形態では、参照光として０次回折光を用いたが必ずしも０次回折光でなくても良く、次数の異なる回折光を参照光および信号光として用いれば良い。

［変形例］
上述した実施の形態では、移動格子５およびインデックス格子６を透過した光束を受光素子Ａ，Ｂで受光する透過型のエンコーダを構成したが、本発明は図４に示すような反射型エンコーダにも適用することができる。この場合、移動格子１５をハーフミラーで構成し、透過率が５０％で反射率が５０％になるようにする。なお、エンコーダ処理回路７については図示を省略した。

回折格子４を出射した光束１１の一部は移動格子１５で回折反射されて受光素子Ａに入射し、移動格子５を透過した光はインデックス格子１６で回折反射され、その一部が移動格子５を透過して受光素子Ａに受光される。一方、光束１２の一部は移動格子１５で回折反射されて受光素子Ｂに入射し、移動格子５を透過した光はインデックス格子１６で回折反射され、その一部が移動格子５を透過して受光素子Ｂに受光される。位相情報および移動情報については上述した実施の形態と同様に算出されるので、ここでは説明を省略する。

−第２の実施の形態−
図５は本発明による光電式エンコーダの第２の実施の形態を示す図であり、エンコーダの主要構成を示したものである。なお、図１の同一部分には同一符号を付し、以下では異なる部分を中心に説明する。本実施の形態では、光束分割素子は２つの回折格子４Ａ，４Ｂから成る。コリメートレンズ２により平行光とされた光束３は、第１の光束分割素子である回折格子４Ａで０次および±１次回折を受けて３光束２１，２２，２３が生成される。

−１次回折光である光束２１は角度ａ１で出射されて第２の光束分割素子である回折格子４Ｂに入射し、回折格子４Ｂで＋１次回折されて角度０で出射される。また、＋１次回折光である光束２３は角度−ａ１で出射されて回折格子４Ｂに入射し、回折格子４Ｂで−１次回折されて角度０で出射される。一方、０次回折光である光束２２は回折格子４Ｂに垂直に入射し、回折格子４Ｂで±１次回折を受けて光束２２ａ，２２ｂがそれぞれ角度ａ１，−ａ１で出射される。

回折格子４Ｂを出射した光束２１，２３は、移動格子５を直進して受光素子Ａ，Ｂにそれぞれ入射する。すなわち、光束２１，２３の０次回折光が、それぞれ受光素子Ａ，Ｂに入射する。一方、角度ａ１で移動格子５に入射した光束２２ａは移動格子５により＋１次回折を受け、角度０で出射されて受光素子Ａに入射する。また、角度−ａ１で移動格子５に入射した光束２２ｂは移動格子５により−１次回折を受け、角度０で出射されて受光素子Ｂに入射する。このとき、移動格子５の格子ピッチはｐなので、角度ａ１と格子ピッチｐとの間には次式（１７）の関係が成立する。
sin(ａ１)＝λ／ｐ …（１７）

なお、本実施の形態では、移動格子５に対して光束２１，２３は角度０で入射し、光束２２ａは角度ａ１で入射し、光束２２ｂは角度−ａ１で入射するように構成したが、このような構成に限定されない。重要なのは、４つの光束２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂの中の少なくとも３光束の移動格子入射角度が異なり、かつ、移動格子５に入射する際の光束２１，２２ａの入射角度平均値と光束２２ｂ，２３の入射角度平均値とが異なっていることであり、それにより上述したようなｘ軸移動情報とｚ軸移動情報とを得ることができる。図５に示す例では、光束２１，２２ａの入射角度平均値はａ１／２で、光束２２ｂ，２３の入射角度平均値−ａ１／２である。

第１の実施の形態で説明したように、移動格子５を直進する光束２１，２３は移動格子５の移動の影響を受けないのでドップラーシフトは発生しない。一方、移動格子５により±１次回折される光束２２ａ，２２ｂにはドップラーシフトが生じる。受光素子Ａは光束２１（参照光）と光束２２ａ（信号光）との干渉光を受光することになり、そのときの干渉強度の位相情報は上述した式（１０）により得られる。ここでは、式（１０）のφ１を光束２２ａの位相シフト量、φ２を光束２１の位相シフト量とし、α１＝ａ１、α２＝０および式（１７）を用いると、位相情報ψ_Ａは次式（１８）により得られる。
ψ_Ａ＝ｋΔｘ×sin(ａ１)＋ｋΔｚ×［cos(ａ１)−１］
＝２πΔｘ／ｐ−ｋΔｚ×［１−cos(ａ１)］
＝２πΔｘ／ｐ−ｋΔｚ×［１−｛１−（λ／ｐ）^２｝^１／２］
≒２πΔｘ／ｐ−πλΔｚ／ｐ^２ …（１８）

一方、受光素子Ｂは光束２３（参照光）と光束２２ｂ（信号光）との干渉光を受光することになり、そのときの干渉強度の位相情報は受光素子Ａの場合と同様にた式（１０）により得られる。ただし、式（１０）のφ１を光束２３の位相シフト量、φ２を光束２２ｂの位相シフト量とする。そして、α１＝０、α２＝−ａ１および式（１７）を用いると、位相情報ψ_Ｂは次式（１９）により得られる。
ψ_Ｂ＝ｋΔｘ×［sin(０)−sin(−ａ１)］＋ｋΔｚ×［cos(０)−cos(−ａ１)］
＝ｋΔｘ×sin(ａ１)＋ｋΔｚ×［１−cos(ａ１)］
≒２πΔｘ／ｐ＋πλΔｚ／ｐ^２ …（１９）

このようにして、受光素子Ａ，Ｂのそれぞれについて干渉光強度の位相情報ψ_Ａ，ψ_Ｂが得られる。第１の実施の形態と同様に、各受光素子Ａ，Ｂの出力を処理した後にそれらの信号の和算および減算を行うと、上述した位相情報ψ_Ａ，ψ_Ｂに基づく移動格子５のｘ軸移動情報およびｚ軸移動情報を得ることができる。
（ｘ軸移動情報）
ψ_Ａ＋ψ_Ｂ＝４πΔｘ／ｐ
（ｚ軸移動情報）
ψ_Ａ−ψ_Ｂ＝２πλΔｚ／ｐ^２

［変形例］
上述した第２の実施の形態では、移動格子５を透過した光束を受光素子Ａ，Ｂで受光する透過型のエンコーダを構成したが、本発明は図６に示すような反射型エンコーダにも適用することができる。この場合、移動格子２５は反射型の回折格子であり、例えば、移動格子５の裏面側に反射コーティングを施す。なお、エンコーダ処理回路７は樹脂を省略した。

回折格子４Ｂから出射された光束２１，２２ａは、移動格子２５により回折反射されて受光素子Ａに入射する。一方、回折格子４Ｂから出射された光束２２ｂ、２３は、移動格子２５により回折反射されて受光素子Ｂに入射する。位相情報および移動情報については上述した実施の形態と同様に算出されるので、ここでは説明を省略する。

上述した実施の形態は本発明の一例を説明したものであり、格子ピッチや回折光次数は一例であった２種類の干渉強度が得られる光学系であれば、同様の効果を奏することができる。そして、上述した以外にも様々な実施形態が可能であり、例えば、２光束分割素子として回折格子を用いたが、プリズムやハーフミラー等を用いても良い。

また、移動格子５とインデックス格子６を同一格子ピッチｐとしたが、必ずしも同一ピッチでなくても良い。さらに、入射光は必ずしも平行光でなくても良いし、また、２光束分割素子に入射する光束は垂直入射でなくても良い。ただし、垂直入射でない場合には、格子出射角度は対称等角とはならない。干渉光を得るための光学系としては、モアレ方式や格子ピッチが異なるバーニア方式を採用して受光素子Ａ，Ｂに多分割受光素子を用いるようにしても良い。

また、上述した第１の実施の形態では、移動格子５，１５に関して入射角度と出射角度との絶対値の大きさが異なっていたが、同じ大きさとなるように設定してもよい。すなわち、透過型の場合には入射角度ａに対して出射角度を−ａとし、反射型の場合には入射角度ａに対して出射角度をａとする。このように設定すると、光路長差がゼロとなるためＬＥＤ等のインコヒーレント光源を使用することができる。

なお、光源に横ゼーマンレーザ等を用いることも当然可能であり、ヘテロダイン干渉計を構築することにより高分解能なエンコーダを構成することができる。また、本光学系構成を２組用いることによって、３軸方向の計測が可能な３自由度エンコーダを構成することも可能である。さらにまた、上述したように本発明ではレーザドップラーシフトの原理を利用して移動情報を取得しているので、本光学系構成で２自由度または３自由度のレーザドップラー速度計を構築することも可能である。なお、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

上述したように、本実施の形態の光電式エンコーダでは半導体レーザやＬＥＤ等を光源として使用することができ、かつ、従来の装置と比較すると光学素子の数が非常に少ないので、装置の小型化を図ることができるとともに安価に製造することができる。また、光学素子の数が非常に少ないことから、光路を非常に短くすることができ動作が安定するという効果を有している。

なお、図１，３，４，５，６において、格子６，１６，４Ｂを移動格子としても良く、同様の計算により移動量が算出される。以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、回折格子４は請求項１の光学系を、光束１１，１２は請求項１の第１および第２の光束を、インデックス格子６は第２の回折格子を、受光素子Ａは第１の検出部を、受光素子Ｂは第２の検出部を、エンコーダ処理回路７は演算部を、光束２１，２２，２３は請求項２の第１〜第３の光束を、回折格子４Ａは請求項２の光学系を、回折格子４Ｂは請求項２の第１の回折格子を、移動格子５は請求項１の第１の回折格子および請求項２の第２の回折格子をそれぞれ構成する。

本発明による光電式エンコーダの第１の実施の形態を示す図であり、エンコーダの主要構成を示したものである。 ドップラーシフトの原理を説明する図である。 回折格子４以降の光束の様子を、図１のｙ軸プラス方向から見た模式図である。 第１の実施の形態の変形例を示す図である。 本発明による光電式エンコーダの第２の実施の形態を示す図であり、エンコーダの主要構成を示したものである。 第２の実施の形態の変形例を示す図である。

符号の説明

１ 光源
２ コリメートレンズ
３，１１，２１，２２ａ，２２ｂ，２３，１１０，１１１，１２０，１２１ 光束
４，４Ａ，４Ｂ 回折格子
５ 移動格子
６ インデックス格子
７ エンコーダ処理回路
Ａ，Ｂ 受光素子

Claims (2)

1. 光源と、
   前記光源の光から、互いに異なる方向に進む少なくとも第１および第２の光束を生成する光学系と、
   前記第１および第２の光束が入射し、前記第１および第２の光束の各々について０次光を含む複数の回折光をそれぞれ生成する第１の回折格子と、
   前記第１の光束から生成された前記複数の回折光のいずれか一つと他の一つとにより生じる第１の干渉光と、前記第２の光束から生成された前記複数の回折光のいずれか一つと他の一つとにより生じる第２の干渉光とを生成する第２の回折格子と、
   前記第１の干渉光を検出する第１の検出部と、
   前記第２の干渉光を検出する第２の検出部と、
   前記第１および第２の検出部の検出結果から算出される位相情報に基づく演算を行う演算部とを備え、
   前記第１および第２の回折格子のうちの一方は可動物体に固定された移動格子であって、前記演算部は前記移動格子の移動方向の変位および移動格子に垂直な方向の変位を演算することを特徴とする光電式エンコーダ。
2. 光源と、
   前記光源の光から、互いに異なる方向に進む第１、第２および第３の光束を生成する光学系と、
   前記第１、第２および第３の光束が入射し、前記第１、第２および第３の光束の各々について０次光を含む複数の回折光をそれぞれ生成する第１の回折格子と、
   前記第１の光束から生成された前記複数の回折光のいずれか一つと、前記第２の光束から生成された前記複数の回折光のいずれか一つとにより第１の干渉光を生成するとともに、前記第２の光束から生成された前記複数の回折光の内で前記第１の干渉光を生じた回折光とは異なる回折光と、前記第３の光束から生成された前記複数の回折光のいずれか一つにとより第２の干渉光を生成する第２の回折格子と、
   前記第１の干渉光を検出する第１の検出部と、
   前記第２の干渉光を検出する第２の検出部と、
   前記第１および第２の検出部の検出結果から算出される位相情報に基づく演算を行う演算部とを備え、
   前記第１および第２の回折格子のうちの一方は可動物体に固定された移動格子であって、前記演算部は前記移動格子の移動方向の変位および移動格子に垂直な方向の変位を演算することを特徴とする光電式エンコーダ。

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