JP2017116307A - エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】スケールの微細化が可能なシングルトラック型アブソリュートエンコーダを提供すること。
【解決手段】スケール１は、測定方向に所定のピッチで配列された複数のパターンが設けられた第１のパターン領域１１及び第２のパターン領域１２を有し、第１のパターン領域１１及び第２のパターン領域１２は測定方向に所定のピッチの１／（２×ｓ）だけオフセットして配置されている。検出ヘッド２は、スケール１により回折された＋ｓ次回折光及び−ｓ次回折光による干渉縞を検出する。信号処理部３は、干渉縞の光強度分布に現れる所定の値よりも光強度が低い位置に基づいて原点位置を検出し、それ以外の位置に現れる干渉縞に基づいてインクリメンタル位置を検出する。検出ヘッド２は、光源４、受光素子６１に照射される光の検出結果を信号処理部３へ出力する検出部６、＋ｓ次回折光及び−ｓ次回折光を検出部６に結像させる光学系５を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、エンコーダに関し、具体的には、光学式のエンコーダに関する。

現在、移動量を測定する装置の一つとして、光学式リニアエンコーダがある。光学式リニアエンコーダは、スケールとスケールに沿って移動する検出ヘッドとを有する。スケールには、例えば、原点位置を検出するためのアブソリュートパターンと、スケールと検出ヘッドとの間の相対的な移動量を検出するためのインクリメンタルパターンとが設けられる。光学式リニアエンコーダは、スケール上のアブソリュートパターンの検出結果である原点信号により原点位置を決定する。そして、原点位置を基準として上記の移動量を考慮することで、スケールと検出ヘッドとの間の位置関係を検出することができる。

また、インクリメンタルパターンとアブソリュートパターンとを１つのスケールトラックに統合したシングルトラック型アブソリュートエンコーダが知られている。このような シングルトラック型アブソリュートエンコーダとして、増分トラック（インクリメンタルパターン）と絶対トラック（アブソリュートパターン）とが一連のストライプ状に形成され、絶対トラックが疑ランダムに分布している（特許文献１）。これにより、絶対トラックに対応する信号の組み合わせを検出することで、絶対位置を検出する。

また、光反射ラインで構成されたインクリメンタルスケール（インクリメンタルパターン）において、光反射ラインを除去することで分散コードワード形態の絶対データ（アブソリュートパターン）が形成されているアブソリュート位置測定方法が提案されている。（特許文献２）。

更に、２方向においてスケールに対する読み取り装置の絶対値を決める測定スケールが提案されている（特許文献３）。この測定スケールでは、２方向の位置を検出するため、チェック柄のパターンがスケール上に形成され、パターンブロックが画像化されて解読される。このブロックには絶対位置を規定する情報のビットが含まれており、かつ、このパターンは増分の測定にも使用される。

特開平５−７１９８４号公報 特表２００４−５２９３４４号公報 特開２００１−１９４１８７号公報

上述のシングルトラック型アブソリュートエンコーダによれば絶対位置を検出できるが、エンコーダを高精度化するにはスケールのピッチを短くする必要が有る。しかし、光学式、磁気式及び静電容量式いずれの方式のシングルトラック型アブソリュートエンコーダにおいて、スケールピッチを微細化したとしても、検出原理に起因する限界により、スケールを読み取ることができなくなる。

本発明は、上記の事情に鑑みて成されたものであり、本発明の目的は、スケールの微細化が可能なシングルトラック型アブソリュートエンコーダを提供することである。

本発明の第１の態様であるエンコーダは、
測定方向に所定のピッチで配列された複数のパターンが設けられた複数のパターン領域を有し、前記複数のパターン領域の少なくとも１つのパターン領域は、前記測定方向で隣接するパターン領域に対して前記測定方向に前記所定のピッチの１／（２×ｓ）（ただし、ｓは１以上の整数）だけオフセットして配置されているスケールと、
前記スケールに対して前記測定方向に相対的に移動可能であり、前記スケールにより回折された＋ｓ次回折光及び−ｓ次回折光による干渉縞を検出し、検出結果を出力する検出ヘッドと、
前記干渉縞の光強度分布に現れる所定の値よりも光強度が低い位置に基づいて原点位置を検出し、前記所定の値よりも光強度が低い位置以外に現れる干渉縞に基づいてインクリメンタル位置を検出する信号処理部と、を備え、
前記検出ヘッドは、
前記スケールに光を照射する光源と、
前記測定方向に複数の受光素子が配列され、前記複数の受光素子に照射される光の検出結果を前記信号処理部へ出力する検出部と、
前記スケールと前記検出部との間に配置され、前記光が前記スケールに照射されることで生じた＋ｓ次回折光及び−ｓ次回折光を前記検出部に結像させる光学系と、を備える、ものである。

本発明の第２の態様であるエンコーダは、上記のエンコーダにおいて、
前記光学系は、
鏡面が前記測定方向と垂直であり、前記＋ｓ次回折光を前記検出部へ向けて反射する第１のミラーと、
鏡面が前記測定方向と垂直、かつ、前記鏡面が前記第１のミラーと向き合うように配置され、前記−ｓ次回折光を前記検出部へ向けて反射する第２のミラーと、を備え、
前記第１のミラー及び前記第２のミラーは、前記＋ｓ次回折光及び前記−ｓ次回折光を前記検出部に結像させる位置に配置される、ことが望ましい。

本発明の第３の態様であるエンコーダは、上記のエンコーダにおいて、
前記光学系は、２以上のレンズからなる両テレセントリック光学系として構成される、ことが望ましい。

本発明の第４の態様であるエンコーダは、上記のエンコーダにおいて、
前記光学系は、前記＋ｓ次回折光及び前記−ｓ次回折光を前記検出部に結像させる回折格子で構成される、ことが望ましい。

本発明の第５の態様であるエンコーダは、上記のエンコーダにおいて、
前記複数のパターン領域は、２つの隣接するパターン領域の一方又は両方がオフセットすることで生じる継ぎ目が複数になるように配置される、ことが望ましい。

本発明の第６の態様であるエンコーダは、上記のエンコーダにおいて、
前記継ぎ目は、ランダム又は疑ランダムに配置される、ことが望ましい。

本発明の第７の態様であるエンコーダは、上記のエンコーダにおいて、
前記継ぎ目は、Ｍ系列符号に則って配置される、ことが望ましい。

本発明によれば、スケールの微細化が可能なシングルトラック型アブソリュートエンコーダを提供することができる。

本発明の上述及び他の目的、特徴、及び長所は以下の詳細な説明及び付随する図面からより完全に理解されるだろう。付随する図面は図解のためだけに示されたものであり、本発明を制限するためのものではない。

実施の形態１にかかる光学式エンコーダの概略構成を示す斜視図である。 実施の形態１にかかる光学式エンコーダの構成を示す斜視図である。 実施の形態１にかかるスケールの構成を模式的に示す上面図である。 実施の形態１にかかる光学式エンコーダでの回折光の干渉と干渉縞の光強度分布とを示す図である。 実施の形態２かかる光学式エンコーダの概略構成を示す斜視図である。 実施の形態２にかかるスケールの構成を模式的に示す上面図である。 実施の形態３にかかる光学式エンコーダ３００の概略構成を示す図である。 実施の形態４にかかる光学式エンコーダ４００の概略構成を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。各図面においては、同一要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略される。以下の実施の形態にかかるエンコーダは、格子パターンからの光を検出して位置を算出する光学式エンコーダとして構成される。

実施の形態１
本発明の実施の形態１にかかる光学式エンコーダについて説明する。図１は、実施の形態１にかかる光学式エンコーダ１００の概略構成を示す斜視図である。図１に示すように、光学式エンコーダ１００は、スケール１、検出ヘッド２及び信号処理部３を有する。スケール１と検出ヘッド２とは、スケール１の長手方向である測定方向（図１のＸ軸方向）に沿って相対的に移動が可能なように構成される。スケール１は、位置検出に用いるパターンが設けられ、パターンに光が照射されることで干渉光が生じる。検出ヘッド２は、干渉光の測定方向の変化を検出し、検出結果を示す電気信号（図１の検出信号ＤＥＴ）を信号処理部３に出力する。信号処理部３は、受け取った電気信号を信号処理することで、スケール１と検出ヘッド２との間の位置関係を検出することができる。

なお、以下では、測長方向（図１のＸ軸方向）に対して垂直、かつ、スケール１の幅を示す方向をＹ軸とする。すなわち、スケール１の主面は、Ｘ−Ｙ平面となる。また、スケール１の主面（Ｘ−Ｙ平面）に垂直、すなわちＸ軸及びＹ軸に垂直な方向をＺ軸とする。また、以下で参照する斜視図では、紙面左下手前から右上奥へ向かう方向を、Ｘ軸の正方向とする。紙面右下手前から左上奥へ向かう方向を、Ｙ軸の正方向とする。紙面下側から上側へ向かう方向を、Ｚ軸の正方向とする。

光学式エンコーダ１００について、より詳細に説明する。図２は、実施の形態１にかかる光学式エンコーダ１００の構成を示す斜視図である。図２に示すように、検出ヘッド２は、光源４、検出部６及び光学系５を有する。上述のように、スケール１と検出ヘッド２とは、測定方向（図２のＸ軸方向）に相対的に移動可能に構成される。

図３は、実施の形態１にかかるスケール１の構成を模式的に示す上面図である。スケール１は、図２のＺ軸に垂直な面（Ｘ−Ｙ平面）を主面とし、Ｘ軸方向を長手方向とする板状の部材である。スケール１は、光源４からの平行光が主面（Ｘ−Ｙ平面）に垂直に入射する位置に配置される。図２では、スケール１は、光源４に対してＺ軸の負方向側に配置される。

スケール１を構成する板状部材には、パターン１０が形成される。パターン１０では、図２及び３のＹ軸を長手方向とする格子状の光透過部が、Ｘ軸方向に並んで複数配置される。

パターン１０は、Ｘ軸方向に配列された第１のパターン領域１１及び第２のパターン領域１２を有する。第１のパターン領域１１及び第２のパターン領域１２は、図２のＹ軸を長手方向とする格子状の光透過部が、Ｘ軸方向に並んで複数配置される。つまり、第１のパターン領域１１では、光透過部１１Ａと不透過部１１Ｂとが、Ｘ軸方向に交互に、かつ、ピッチｇにて繰り返して配置される。第２のパターン領域１２では、光透過部１２Ａと不透過部１２Ｂとが、Ｘ軸方向に交互に、かつ、ピッチｇにて繰り返して配置される。

本実施の形態においては、第１のパターン領域１１と第２のパターン領域１２とは、検出部６で検出される回折光の次数をｓ（ｓは、１以上の整数）とすると、Ｘ軸方向にピッチｇの１／（２×ｓ）（すなわち、ΔＸ＝ｇ／（２×ｓ）だけ、換言すれば、位相にして１８０／ｓ［°］（π／ｓ［ｒａｄ］）だけオフセットして配置される。

なお、ここでいう「オフセット」とは、第１のパターン領域１１を基準として第２のパターン領域１２がΔＸだけオフセットしている場合、第２のパターン領域１２を基準として第１のパターン領域１１がΔＸだけオフセットしている場合、及び、スケール１を基準として、第１のパターン領域１１と第２のパターン領域１２とが互いにオフセットすることで、両者のオフセットの加算値がΔＸとなる場合を包括的に含むものである。これは、第１のパターン領域１１と第２のパターン領域１２とに限られるものではなく、パターン領域が複数（３つ以上を含む）存在する場合に、測定方向（Ｘ軸方向）で隣接する２つのパターン領域についても同様である。換言すれば、複数（３つ以上を含む）のパターン領域のうち、少なくとも１つのパターン領域が測定方向（Ｘ軸方向）にオフセットしていればよいことを意味する。

スケール１は、ガラスで構成されることが望ましい。この場合、例えば、ガラスに蒸着された金属膜で不透過部が形成され、金属膜が存在しない領域が光透過部となる。但し、光を透過する格子状の光透過部と、光を透過しない不透過部を構成できる材料であれば、いずれもスケール１を構成する材料として用いることができる。

図２を参照して、検出ヘッド２の構成について説明する。まず、光源４について説明する。光源４は、平行光ＣＬを出力する光源である。光源４は、例えば、光源素子及びコリメータを有する。光源が出力した光は、コリメータでコリメートされることで平行光ＣＬとなる。光源素子としては、例えば、ＬＥＤ（Light Emitting Diode：発光ダイオード）、半導体レーザ、ＳＬＥＤ（Self-Scanning Light Emitting Device：自己走査型発光素子）、ＯＬＥＤ（Organic light-emitting diode：有機発光ダイオード）などを用いることができる。また、コリメータとしては、レンズ光学系などの様々なコリメート手段を用いることができる。

光学系５について説明する。光学系５は、スケール１を通過した＋ｓ（ｓは、１以上の整数）次回折光および−ｓ次回折光を検出部６の受光面に結像させる結像光学系として構成される。なお、光学系５は、以下で説明する検出部６が検出対象とする回折光の次数に応じて、＋ｓ次回折光及び−ｓ次回折光のうちで検出対象となるものを検出部６の受光面に結像させる結像光学系として構成される。本実施の形態では、光学系５は、第１のミラー５１と第２のミラー５２とで構成される。第１のミラー５１は、鏡面がＸ（−）方向に向くように設けられ、スケール１を通過した＋ｓ次回折光を反射する。第２のミラー５２は、鏡面がＸ（＋）方向に向くように設けられ、スケール１を通過した−ｓ次回折光を反射する。これにより、＋ｓ次回折光と−ｓ次回折光は、検出部６の受光面に結像される。

なお、本実施の形態では、光学系５は２枚のミラーで構成されるものとして説明したが、これは例示に過ぎない。スケール１を通過した＋ｓ次回折光および−ｓ次回折光を検出部６の受光面に結像させることができるのであれば、光学系５はレンズにより構成されてもよいし、回折格子により構成されてもよいし、他の光学素子により構成されてもよいし、又は、異なる種類の光学素子を組み合わせて構成されてもよい。

検出部６について説明する。検出部６は、スケール１を通過して検出部６の受光面に結像する光を検出可能に構成される。検出部６は、パターン１０を通過した光を光電変換して得られた電気信号を、信号処理部３へ出力する。検出部６は、例えば、パターン１０よりも小さなピッチ（例えば、１／２又は１／４）でＸ軸方向に複数の受光素子６１（例えばフォトダイオード）が配列された受光素子アレイとして構成される。また、検出部６は、受光面積の大きなフォトダイオードの上にパターン１０よりも小さなピッチ（例えば、１／２又は１／４）のパターンが形成された格子を配置した構成としてもよい。

次いで、パターン１０を透過した光の性質について説明する。図４は、実施の形態１にかかる光学式エンコーダ１００での回折光の干渉と干渉縞の光強度分布とを示す図である。図４では、図面の簡略化のため、１組の＋ｓ次回折光及び−ｓ次回折光を表示しているが、本発明は２次以上の高次の回折光についても成立するものである。よって、以下では、回折次数を一般化した＋ｓ（ｓは、１以上の整数）次回折光及び−ｓ次回折光について説明する。パターン１０に入射した平行光ＣＬは、パターン１０で回折されて、＋ｓ次回折光及び−ｓ次回折光が生じる。

ここで、パターン１０の中心、すなわち第１のパターン領域１１と第２のパターン領域１２との継ぎ目の点を中心点ＣＰとする。第１のパターン領域１１の光透過部１１Ａのうちで最も中心点ＣＰに近いものを光透過部１１Ｃとする。第２のパターン領域１２の光透過部１２Ａのうちで最も中心点ＣＰに近いものを光透過部１２Ｃとする。

スケール１が原点位置に到達すると、第１のパターン領域１１の光透過部１１Ｃからの＋ｓ次回折光Ｐ１と、第２のパターン領域１２の光透過部１２Ｃからの＋ｓ次回折光Ｐ２とは、ミラー５１で反射されて検出部６に導かれる。このとき、＋ｓ次回折光Ｐ１と＋ｓ次回折光Ｐ２とは、同じ光路長を辿って検出部６に到達する。

第１のパターン領域１１の光透過部１１Ｃからの−ｓ次回折光Ｍ１と、第２のパターン領域１２の光透過部１２Ｃからの−ｓ次回折光Ｍ２とは、ミラー５２で反射されて検出部６に導かれる。このとき、−ｓ次回折光Ｍ１と−ｓ次回折光Ｍ２とは、同じ光路長を辿って検出部６に到達する。

上述の通り、第１のパターン領域１１と第２のパターン領域１２とは、Ｘ軸方向にピッチｇの１／（２×ｓ）（すなわち、ΔＸ＝ｇ／（２×ｓ））だけ、換言すれば、位相にして１８０／ｓ［°］（π／ｓ［ｒａｄ］）だけオフセットして配置されている。つまり、＋ｓ次回折光Ｐ１の光路長と＋ｓ次回折光Ｐ２の光路長とが等しい場合、＋ｓ次回折光Ｐ１と＋ｓ次回折光Ｐ２との間には、オフセットに起因する相対的な位相差が生じる。同様に、−ｓ次回折光Ｍ１の光路長と−ｓ次回折光Ｍ２の光路長とが等しい場合、−ｓ次回折光Ｍ１と−ｓ次回折光Ｍ２との間には、オフセットに起因する相対的な位相差が生じる。このときの位相差Δθは、以下の式（１）で表される。

式（１）に示すように、検出部６の受光面に到達した＋ｓ次回折光Ｐ１と＋ｓ次回折光Ｐ２との間には、π［ｒａｄ］（１８０［°］）の位相差が存在する。そのため、検出部６に到達した＋ｓ次回折光Ｐ１と＋ｓ次回折光Ｐ２とは、境界ＢＰ近傍で干渉して互いにキャンセルしあう。また、検出部６の受光面に到達した−ｓ次回折光Ｍ１と−ｓ次回折光Ｍ２との間には、π［ｒａｄ］（１８０［°］）の位相差が存在する。そのため、検出部６に到達した−ｓ次回折光Ｍ１と−ｓ次回折光Ｍ２とは、境界ＢＭ近傍で干渉して互いにキャンセルしあう。その結果、検出部６が検出する光強度Ｐの分布には、中心点ＣＰに対応する位置に暗部ＤＳが現れる。

例えば、受光素子が出力する電気信号に対する閾値を設けると、信号処理部３は、電気信号の電圧が閾値を下回るタイミングを始期とし、電気信号の電圧が閾値を上回るタイミングを終期とする原点パルス信号を容易に生成することができる。

また、光強度分布においては、暗部ＤＳの両側に第１のパターン領域１１及び第２のパターン領域１２のピッチｇで配置された光透過部に起因して、当然ながら、ピッチｇ／（２×ｓ）の干渉縞が現れる。この干渉縞のピッチは一定であるので、干渉縞をインクリメンタル信号として用いることができる。

上述の通り、第２のパターン領域１２は第１のパターン領域１１に対してＸ軸方向にｇ／（２×ｓ）だけオフセットしているので、干渉縞にもオフセットが生じる。この場合、第１のパターン領域１１により生じる干渉縞ＩＰ１と、第２のパターン領域１２により生じる干渉縞ＩＰ２との間のオフセットは、干渉縞のピッチｇ／（２×ｓ）と等しくなる。よって、干渉縞ＩＰ１と干渉縞ＩＰ２とは、結果として同位相となる。換言すれば、インクリメンタル信号には、第１のパターン領域１１と第２のパターン領域１２とをオフセット配置した影響はないことが理解できる。よって、精度よくインクリメンタル位置検出を行うことができる。

なお、暗部ＤＳのコントラストを高めるためには、光強度振幅が最も大きい＋１次回折光及び−１次回折光を用いることが望ましい。以下、好適な実施例として、＋１次回折光及び−１次回折光に着目して説明する。この場合、ｓ＝１であるので、オフセットΔＸはｇ／２となる。また、＋１次回折光と＋１次回折光との間、及び、−１次回折光Ｍ１と−１次回折光Ｍ２との間に生じる位相差は、式（１）に示すようにπ［ｒａｄ］（１８０［°］）となる。よって、上述と同様に、検出部６が検出する光強度Ｐの分布には、中心点ＣＰに対応する位置に暗部ＤＳが現れる。

また、光強度分布においては、暗部ＤＳの両側に第１のパターン領域１１及び第２のパターン領域１２のピッチｇで配置された光透過部に起因して、当然ながら、ピッチｇ／２の干渉縞が現れる。よって、同様に、この干渉縞をインクリメンタル信号として用いることができる。

上述の通り、干渉縞ＩＰ１と干渉縞ＩＰ２との間にもオフセットが生じるが、この場合の干渉縞のオフセットは干渉縞のピッチｇ／２と等しくなる。よって、干渉縞ＩＰ１と干渉縞ＩＰ２とは結果として同位相となり、上記と同様に、精度よくインクリメンタル位置検出を行うことができる。

以上、本構成によれば、シングルトラック型アブソリュートエンコーダを実現できることが理解できる。また、本構成では光の回折と干渉を利用するので、スケールにもちいるパターン（すなわち、回折格子）を微細化できる点で、有利である。

実施の形態２
本発明の実施の形態２にかかる光学式エンコーダについて説明する。図５は、実施の形態２にかかる光学式エンコーダ２００の概略構成を示す斜視図である。図５に示すように、光学式エンコーダ２００は、実施の形態１にかかる光学式エンコーダ１００のスケール１をスケール７に置換した構成を有する。

スケール７は、スケール１のパターン１０を、パターン２０に置換した構成を有する。スケール１のパターン１０では、パターンが配置される領域が２つ存在し、２つのパターン領域がＸ軸方向にオフセットして配置されていた。しかし、パターン２０は、３つ以上のパターン領域がＸ軸方向に配列され、かつ、それぞれ隣接する２つのパターン領域がＸ軸方向にオフセットして配置される。

図６は、実施の形態２にかかるスケール７の構成を模式的に示す上面図である。図６では、パターン２０に４つのパターン領域が設けられる例について説明する。スケール７には、Ｘ軸の−側から＋側へ向かう方向に、第１〜第４のパターン領域２１〜２４が順に配置される。

第１〜第４のパターン領域２１〜２４は、実施の形態１にかかる第１のパターン領域１１及び第２のパターン領域１２と同様に、図６のＹ軸を長手方向とする格子状の光透過部が、Ｘ軸方向に並んで複数配置される。つまり、第１〜第４のパターン領域２１〜２４では、それぞれ光透過部２１Ａ〜２４Ａと不透過部２１Ｂ〜２４Ｂとが、Ｘ軸方向に交互に、かつ、ピッチｇにて繰り返して配置される。なお、第１〜第４のパターン領域２１〜２４の光透過部及び不透過部の数は、同一であってもよいし、それぞれ異なっていてもよい。また、一部のパターン領域の光透過部及び不透過部の数が同一で、その他パターン領域の光透過部及び不透過部の数がそれぞれ異なっていてもよい。

この例では、第１のパターン領域２１と第１のパターン領域２２との間のオフセットをΔＸ１、第２のパターン領域２２と第３のパターン領域２３との間のオフセットをΔＸ２、第３のパターン領域２３と第４のパターン領域２４との間のオフセットをΔＸ３とする。オフセットΔＸ１〜ΔＸ３は、実施の形態１と同様に、ピッチｇの１／（２×ｓ）である。

図６では、説明の簡略化のため、＋１次回折光と−１次回折光との干渉縞の光強度分布を示している。上述のように、第１のパターン領域２１〜第４のパターン領域２４はオフセットして配置されているので、検出部６の受光面における干渉縞の光強度Ｐは、実施の形態１で説明したのと同様の原理で、パターン領域の継ぎ目に対応する位置に暗部ＤＳ１〜ＤＳ３が生じることとなる。そして、暗部ＤＳ１〜ＤＳ３が現れる位置はスケール７の設計と、スケール７から検出部６までの距離で決定できる。信号処理部３は、スケール７のＸ軸方向への移動と共に移動する暗部ＤＳ１〜ＤＳ３を検出し、検出した位置を原点として検出することができる。

本実施の形態では、検出部に設ける受光素子の数を多くすることで、各受光素子で原点検出の結果を例えば平均化することで、より正確な原点検出を行うことができる。また、検出部は、面積の大きな受光素子の上に、暗部ＤＳ１〜ＤＳ３が現れる位置に基づいた距離だけ離隔して設けられた光透過部（スリット）が設けられたパターンを配置して構成することも可能である。この場合、非原点位置での受光素子の受光量を大きくすることができる。そして、原点位置では各光透過部での光強度が低下するので、原点位置と非原点位置との間で受光素子が検出する光の明暗度が拡大される。したがって、原点位置の検出が更に容易となる。

なお、本実施の形態では、パターン２０に４つのパターン領域（パターン領域の継ぎ目が３つ）が設けられる例について説明した。しかし、パターン領域は３つ（パターン領域の継ぎ目が２つ）でもよいし、５つ以上（パターン領域の継ぎ目が４つ以上）でもよい。

また、パターン領域の継ぎ目の位置はランダムに配置されてもよく、例えばＭ系列符号などの疑似ランダム符号に則って配置されてもよい。Ｍ系列符号を適用することで、更に原点位置と非原点位置との間で受光素子が検出する光の明暗度を拡大することができる。当然のことながら、Ｍ系列符号を長くすることで、原点位置と非原点位置との間で受光素子が検出する光の明暗度を向上させることができる。

よって、本構成によれば、エンコーダにおいて、より高精度にかつ容易に原点を検出できるエンコーダを実現することができる。

実施の形態３
本発明の実施の形態３にかかる光学式エンコーダについて説明する。図７は、実施の形態３にかかる光学式エンコーダ３００の概略構成を示す図である。図７に示すように、光学式エンコーダ３００は、実施の形態１にかかる光学式エンコーダ１００の光学系５を光学系３０に置換した構成を有する。

光学系３０は、光学系５と同様に、スケール１を通過した＋１次回折光（Ｐ１、Ｐ２）および−１次回折光（Ｍ１、Ｍ２）を検出部６の受光面に結像させる結像光学系として構成される。本実施の形態では、光学系３０は、レンズ３１とレンズ３２を有し、両テレセントリック結像光学系として構成される。本実施の形態では、レンズ３１及び３２の焦点距離をｆとする。

レンズ３１とレンズ３２とは、平行光ＣＬの光軸（すなわちＺ軸）方向に並んで配置される。このとき、レンズ３１は、スケール１から検出部６側（Ｚ軸の−側）に焦点距離ｆだけ離れた位置に配置される。レンズ３２は、レンズ３１から検出部６側（Ｚ軸の−側）に焦点距離ｆの２倍（２ｆ）だけ離れ、かつ、検出部６からレンズ３１側（Ｚ軸の−側）に焦点距離ｆだけ離れた位置に配置される。

光学系３０は両テレセントリック光学系であるので、パターン１０により生じた＋１次回折光Ｐ１、＋１次回折光Ｐ２、−１次回折光Ｍ１及び−１次回折光Ｍ２は、レンズ３１で屈折して、光軸がＺ軸と平行になる。その後、＋１次回折光Ｐ１、＋１次回折光Ｐ２、−１次回折光Ｍ１及び−１次回折光Ｍ２は、レンズ３２で屈折して、検出部６の受光面に結像する。

よって、光学系３０は、光学系５と同様に、＋１次回折光（Ｐ１、Ｐ２）及び−１次回折光（Ｍ１、Ｍ２）を検出部６の受光面に結像させることができる。よって、光学式エンコーダ３００によれば、光学式エンコーダ１００と同様に＋１次回折光（Ｐ１、Ｐ２）及び−１次回折光（Ｍ１、Ｍ２）とを干渉させて原点位置を検出し、かつ、インクリメンタル位置検出を行うことができる。

なお、本実施の形態では、光学系３０は２枚のレンズで構成されるものとして説明したが、これは例示に過ぎない。両テレセントリック結像光学系を構成できるならば、３枚以上のレンズを用いて光学系を構成してもよい。また、スケール１を通過した＋１次回折光（Ｐ１、Ｐ２）および−１次回折光（Ｍ１、Ｍ２）を検出部６の受光面に結像させることができるのであれば、レンズを用いて構成される両テレセントリック結像光学系以外の光学系を用いてもよい。

実施の形態４
本発明の実施の形態４にかかる光学式エンコーダについて説明する。図８は、実施の形態４にかかる光学式エンコーダ４００の概略構成を示す図である。図８に示すように、光学式エンコーダ４００は、実施の形態１にかかる光学式エンコーダ１００の光学系５を光学系４０に置換した構成を有する。

光学系４０は、光学系５と同様に、スケール１を通過した＋１次回折光（Ｐ１、Ｐ２）および−１次回折光（Ｍ１、Ｍ２）を検出部６の受光面に結像させる結像光学系として構成される。本実施の形態では、光学系４０は、回折格子４１により構成される。

回折格子４１は、図８のＺ軸に垂直な面（Ｘ−Ｙ平面）を主面とし、Ｘ軸方向を長手方向とする板状の部材である。回折格子４１は、スケール１を通過した＋１次回折光（Ｐ１、Ｐ２）および−１次回折光（Ｍ１、Ｍ２）が主面（Ｘ−Ｙ平面）に入射する位置に配置される。

回折格子４１を構成する板状部材には、図８のＹ軸を長手方向とする格子状の光透過部４１Ａと、不透過部４１Ｂとが、Ｘ軸方向に交互に、かつ、一定のピッチにて繰り返して配置される。ここで、回折格子４１で回折されて検出部６に到達する＋１次回折光（Ｐ１、Ｐ２）および−１次回折光（Ｍ１、Ｍ２）が検出部６の受光面で干渉縞を形成できるように、回折格子４１のピッチが設計される。

回折格子４１は、ガラスで構成されることが望ましい。この場合、例えば、ガラスに蒸着された金属膜で不透過部が形成され、金属膜が存在しない領域が光透過部となる。但し、光を透過する格子状の光透過部と、光を透過しない不透過部を構成できる材料であれば、いずれも回折格子４１を構成する材料として用いることができる。

本実施の形態では、上述のように回折格子４１が設計されることで、パターン１０により生じた＋１次回折光（Ｐ１、Ｐ２）と−１次回折光（Ｍ１、Ｍ２）とは、回折格子４１で回折されることで検出部６の受光面に結像する。よって、光学系４０は、光学系５と同様に、＋１次回折光（Ｐ１、Ｐ２）と−１次回折光（Ｍ１、Ｍ２）とを検出部６の受光面に結像させることができる。よって、光学式エンコーダ４００によれば、光学式エンコーダ１００と同様に＋１次回折光（Ｐ１、Ｐ２）と−１次回折光（Ｍ１、Ｍ２）とを干渉させて原点位置を検出し、かつ、インクリメンタル位置検出を行うことができる。

その他の実施の形態
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、上述の実施の形態にかかるエンコーダは、透過型の光学式エンコーダとして説明したが、反射型の光学式エンコーダにも適用することができる。この場合、スケールの格子パターンの光透過部を反射部に、不透過部を非反射部に置換すればよい。また、スケールに対して光源４の側に受光部を配置すればよい。

また、上述の実施の形態にかかるエンコーダは、リニアエンコーダに限定されるものではなく、ロータリーエンコーダとして構成できることはいうまでもない。

説明の簡略化のため、上述の実施の形態２〜４では＋１次回折光及び−１次回折光に着目して説明したが、実施の形態１と同様に、２以上の次数の回折光を用いて干渉縞を形成し、スケール位置を検出できることは言うまでもない。

ＣＬ 平行光
ＣＰ 中心点
ＩＰ１、ＩＰ２ 干渉縞
Ｍ１、Ｍ２ −ｓ次回折光
Ｐ１、Ｐ２ ＋ｓ次回折光
１、７ スケール
２ 検出ヘッド
３ 信号処理部
４ 光源
５、３０、４０ 光学系
６ 検出部
１０、２０ パターン
１１、２１ 第１のパターン領域
１１Ａ、１１Ｃ、１２Ａ、１２Ｃ、２１Ａ〜２４Ａ、４１Ａ 光透過部
１１Ｂ、１２Ｂ、２１Ｂ〜２４Ｂ、４１Ｂ 不透過部
１２ 第２のパターン領域
２３ 第３のパターン領域
２４ 第４のパターン領域
３１、３２ レンズ
４１ 回折格子
５１ 第１のミラー
５２ 第２のミラー
６１ 受光素子
１００、２００、３００、４００ 光学式エンコーダ

Claims (7)

1. 測定方向に所定のピッチで配列された複数のパターンが設けられた複数のパターン領域を有し、前記複数のパターン領域の少なくとも１つのパターン領域は、前記測定方向で隣接するパターン領域に対して前記測定方向に前記所定のピッチの１／（２×ｓ）（ただし、ｓは１以上の整数）だけオフセットして配置されているスケールと、
   前記スケールに対して前記測定方向に相対的に移動可能であり、前記スケールにより回折された＋ｓ次回折光及び−ｓ次回折光による干渉縞を検出し、検出結果を出力する検出ヘッドと、
   前記干渉縞の光強度分布に現れる所定の値よりも光強度が低い位置に基づいて原点位置を検出し、前記所定の値よりも光強度が低い位置以外に現れる干渉縞に基づいてインクリメンタル位置を検出する信号処理部と、を備え、
   前記検出ヘッドは、
   前記スケールに光を照射する光源と、
   前記測定方向に複数の受光素子が配列され、前記複数の受光素子に照射される光の検出結果を前記信号処理部へ出力する検出部と、
   前記スケールと前記検出部との間に配置され、前記光が前記スケールに照射されることで生じた＋ｓ次回折光及び−ｓ次回折光を前記検出部に結像させる光学系と、を備える、
   エンコーダ。
2. 前記光学系は、
   鏡面が前記測定方向と垂直であり、前記＋ｓ次回折光を前記検出部へ向けて反射する第１のミラーと、
   鏡面が前記測定方向と垂直、かつ、前記鏡面が前記第１のミラーと向き合うように配置され、前記−ｓ次回折光を前記検出部へ向けて反射する第２のミラーと、を備え、
   前記第１のミラー及び前記第２のミラーは、前記＋ｓ次回折光及び前記−ｓ次回折光を前記検出部に結像させる位置に配置される、
   請求項１に記載のエンコーダ。
3. 前記光学系は、２以上のレンズからなる両テレセントリック光学系として構成される、
   請求項１に記載のエンコーダ。
4. 前記光学系は、前記＋ｓ次回折光及び前記−ｓ次回折光を前記検出部に結像させる回折格子で構成される、
   請求項１に記載のエンコーダ。
5. 前記複数のパターン領域は、２つの隣接するパターン領域の一方又は両方がオフセットすることで生じる継ぎ目が複数になるように配置される、
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載のエンコーダ。
6. 前記継ぎ目は、ランダム又は疑ランダムに配置される、
   請求項５に記載のエンコーダ。
7. 前記継ぎ目は、Ｍ系列符号に則って配置される、
   請求項６に記載のエンコーダ。

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