JP2021012190A - 光学式エンコーダ及び駆動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高分解能な光学式エンコーダを提供する。【解決手段】光学式エンコーダにおいて、ロータリースケールに、半径方向に沿って延び、所定の角度毎に配置された第１のパターンと、回転中心から所定間隔で複数配置され回転中心の円周方向に沿って延びる同心円状のパターンとを含む格子パターン２１を設け、光源からの光によって照射された格子パターンにより形成される干渉縞を検出する受光素子１１を有し、受光素子は、ロータリースケールの第１の半径位置の円周方向の第１の周期を有する前記第１のパターンにより形成された第１の干渉縞を受光する。また、第１の半径位置に対して径方向にずれた半径位置の、円周方向について第２の周期を有する格子パターンによって回折され、第１の干渉縞の方向に向けて形成される第２の干渉縞を受光するように配置される。第２の干渉縞は第２の周期より第１の周期に近い周期を有するように構成する。【選択図】図７

Description

本発明は、光学式エンコーダ等に関する。

従来、工作機やＦＡ装置などの角度測定に、ロータリーエンコーダが用いられている。光学式エンコーダには、例えば特許文献１に記載されているように、径方向に集光効果を持たせることで、受光効率を向上することができる。

特開平３−１１３３１６号公報

ロータリースケールでは、読み取る検出半径によって、移動方向の空間周波数が変化する。特に、検出半径が小さい場合、径のずれに対する、空間周波数の変化はより敏感になる。
読み取り中心径からのずれが大きく、検出信号に実質的に寄与できない領域の格子パターンからの光束を受光面に集光しても、信号効率を向上することはできず、逆にノイズ成分を増大する場合もある。
本発明は、小径化した場合でも低ノイズで、高分解能な光学式エンコーダを提供することを目的とする。

本発明の光学式エンコーダは、
所定の軸を回転中心として回転するとともに、前記回転中心から半径方向に沿って延び、第１の半径領域の円周方向について第１の周期Ｐ１を有する第１のパターンと、前記第１の半径領域とは異なる半径領域の円周方向について前記第１の周期とは異なる第２の周期Ｐ２を有する第２のパターンとを含む格子パターンを有するロータリースケールと、
前記格子パターンに対して所定の角度で光を照射する光源と、
前記光源からの光によって照射された前記格子パターンの干渉縞を検出する受光素子と、を有し、
前記受光素子は、前記第１のパターンにより形成された周期Ｑ１の第１の干渉縞を受光するとともに、前記第２のパターンによって回折され、前記第１の干渉縞の方向に向けて形成される周期Ｑ２の第２の干渉縞を受光するように配置され、
Ｐ２×Ｑ１／Ｐ１＜Ｑ２＜Ｐ１×Ｑ１／Ｐ２
もしくは
Ｐ２×Ｑ１／Ｐ１＞Ｑ２＞Ｐ１×Ｑ１／Ｐ２
となるように構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、小径化した場合でも、低ノイズで高分解能な光学式エンコーダを実現することができる。

本発明の実施例１である光学式エンコーダの構成を示す図である。 実施例１における光学式エンコーダの断面構造を示す図である。 実施例１の格子パターンを示す図である。 実施例１の受光素子の配列を示す図である。 実施例１のエンコーダの光路展開図である。 実施例１の検出部の空間周波数応答特性を示す図である。 実施例１のエンコーダにおけるＸ軸側より見た光路展開図である。 実施例１のエンコーダにおけるＸ軸側より見た光路展開図である。 実施例１のエンコーダにおけるＸ軸側より見た光路展開図である。 実施例２の格子パターンの例を示す図である。 実施例２のエンコーダにおけるＸ軸側より見た光路展開図である。 実施例２における受光素子アレイ１２上の正規化空間周波数１／Ｐ（ｒ）×Ｐｐｄと、光束が通過した半径位置ｒの関係を示す図である。 実施例３における光学式エンコーダの断面構造を示す図である。 実施例３の格子パターンの例を示す図である。 実施例３のエンコーダの光路展開図である。 実施例３のエンコーダのスケール側から見た図である。 実施例３の検出部の空間周波数応答特性を示す図である。 実施例３のエンコーダにおけるＸ軸側より見た光路展開図である。 実施例３のエンコーダにおけるＸ軸側より見た光路展開図である。 実施例４の格子パターンの例を示す図である。 実施例５の格子パターンの例を示す図である。 実施例６の撮像装置の構成を示す図である。 実施例７のレーザー加工装置の構成を示す図である。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１には、本発明の実施例１である光学式エンコーダ（以下、単にエンコーダという）の構成を示している。図２は本実施例における光学式エンコーダの、図１のＸ軸側から見た断面構造を示している。
エンコーダは、不図示の測定装置の固定部に取り付けられるセンサユニット１０と、前記測定装置の可動部に取り付けられ、センサユニット１０に対して所定の軸を回転中心として回転可能な（ロータリー）スケール２０とを有する。なお、装置の固定部にスケール２０を取り付け、可動部にセンサユニット１０を取り付けてもよい。

すなわち、センサユニット１０とスケール２０とが相対移動可能であればよい。以下の説明において、センサユニット１０に対するスケール２０の移動方向（図２中のＸ方向）、すなわちスケール２０とセンサユニット１０との相対移動方向を位置検出方向という。センサユニット１０は、ＬＥＤ等からなる発光素子１１と、受光素子アレイ１２を有する受光ＩＣ１３とが同一パッケージ内に実装された受発光一体型のセンサユニットである。受光素子アレイ１２は、スケール２０に設けられた格子パターンで反射した光の強度分布を検出するための複数の受光素子が位置検出方向（Ｘ方向、即ちスケールの円周方向あるいは、半径に直角の方向）に配列されて構成されている（図４参照）。

一方、スケール２０には、円周方向に交互に配列された反射部と非反射部とにより反射型回折格子として形成された格子パターン２１が設けられている。図３は格子パターン２１の例を示す図であり、グレー部が非反射部、白部が反射部である。なお、本実施例では反射型スケールを用いているが、本発明はこれに限るものでは無く、透過型で構成しても良い。その場合は、グレー部が非透過部、白部を透過部とすれば良い。

読み取り中心半径ｒ０（第１の半径位置）を中心とし、径方向幅Ｗｒ０の領域（領域Ａ、第１の半径領域）を備えている。また、円周方向に、ロータリースケールの回転中心に対して所定の角度Ｔｐ／２毎に交互に配列された反射部と非反射部からなるスリット列（第１のパターン、第１の周期パターン）が複数設けられている。各スリット列はロータリースケールの回転中心から半径方向に延びた放射状の形状を有し、所定の角度毎に配置されている。第１のパターンは第１の周期Ｐ１を有する。
半径がｒ０＋Ｗｒ０／２より大きい領域は、所定の半径ｒ１（第３の半径位置）を含む領域Ｂ（第３の半径領域）を備える。

領域Ｂは、径方向に所定の間隔で周期的に非反射部と反射部からなる同心円状パターンを有する。同心円状パターンはロータリースケールの回転中心から所定間隔で複数配置され前記回転中心の円周方向に沿って延びている。また、円周方向に交互に配列された反射部と非反射部からなるスリット列（第２のパターン、第２の周期パターン）が設けられており、領域Ｂの第２のパターンの周期Ｐ２は第１のパターンの周期Ｐ１より長い。また前記第２のパターンと前記同心円状のパターンより格子パターンが形成されている。径方向に隣接する格子の径方向の中心間の距離はＲｐ１で、径方向の反射部幅はＲｍ１、非反射部幅はＲｓ１である。

半径がｒ０−Ｗｒ０／２より小さい領域は、所定の半径ｒ２（第２の半径位置）を含む領域Ｃ（第２の半径領域）を備え、径方向に所定の間隔で周期的に非反射部と反射部からなる同心円状パターンを有する。前記同心円状パターンはロータリースケールの回転中心から所定間隔で複数配置され前記回転中心の円周方向に沿って延びている。また、円周方向に交互に配列された反射部と非反射部からなるスリット列（第２の（周期）パターン）が設けられており、第２のパターンと前記同心円状パターンとによって格子パターンが形成されている。領域Ｃの第２のパターンの周期Ｐ２は第１のパターンの周期Ｐ１より短い。径方向に隣接する格子パターンの径方向の中心間の距離はＲｐ２で、径方向の反射部幅はＲｍ２、非反射部幅はＲｓ２である。また、領域Ａ、Ｂ、Ｃとも、円周方向の反射部幅はＴｍであり、非反射部の幅はＴｓである。

本実施例では以下のパラメータを用いる。
Ｗｒ０＝０．３ｍｍ
Ｔｐ＝２π／１８８５＝０．００３３３３３ ｒａｄ
Ｔｓ＝Ｔｐ／２
Ｔｍ＝Ｔｐ／２
Ｒｐ１＝６μｍ
Ｒｓ１＝Ｒｐ１／２
Ｒｍ１＝Ｒｐ１／２
Ｒｐ２＝６μｍ
Ｒｓ２＝Ｒｐ２／２
Ｒｍ２＝Ｒｐ２／２
ｒ０＝６ｍｍ
ｒ１＝６．２ｍｍ
ｒ２＝５．８ｍｍ

光源の中心波長をλとし、発光素子１１の発光点を配置する半径位置から読み取り中心半径ｒ０の距離をｄｒ０とする（図７参照）。本実施例では、
λ＝６５０ｎｍ
ｄｒ０＝１ｍｍ
とする。また、発光素子１１は前記格子パターンに対して所定の角度で光を照射する。

図４には、前記光源からの光によって照射された前記格子パターンの干渉縞を検出する受光素子としての受光素子アレイ１２を示している。本実施例では、受光素子アレイ１２は、１６０個の受光素子が位置検出方向に一列に並べられて構成されている。位置検出方向において互いに隣り合う２つの受光素子の中心間距離（隣接素子ピッチ）Ｘｐｄは１０μｍである。また、各受光素子の位置検出方向に直交する方向（Ｙ方向）のサイズ（幅）Ｙｐｄは１０００μｍである。

１６０個の受光素子は、Ａ（＋）相、Ｂ（＋）相、Ａ（−）相およびＢ（−）相に、この順で、かつ循環的に割り当てられており、これら４つの相における各相に割り当てられた４０個（２以上）の受光素子が１つの受光素子群を構成する。つまり、本実施例では、それぞれ４０個の受光素子により構成される受光素子群が４つ設けられている。各受光素子群を構成する４０個の受光素子は互いに電気的に接続されており、これらの出力（電流）は互いに足し合わされて後段に相ごとに設けられた不図示のＩＶ（電流電圧）変換アンプに入力される。４つおきに配置された同じ受光素子群を構成する４０個の受光素子のうち位置検出方向において最も近い２つの受光素子の中心間距離（群内素子ピッチ）Ｐｐｄは４０（１０×４）μｍである。

各相のＩＶアンプの出力は、スケール２０の移動に応じてその値が正弦波状に変化する電圧信号（正弦波信号）となる。４つの相に対して設けられた４つのＩＶアンプの出力はそれぞれ、信号位相の０度、９０度、１８０度および２７０度に対応しており、演算処理によって位置情報に変換される。
図５は、本実施例のエンコーダの光路を展開して、すなわち反射を透過のように展開して示した図である。発光素子１１から格子パターン２１までの距離Ｌ１は、２ｍｍ±０．３ｍｍの範囲に設定される。格子パターン２１から受光素子アレイ１２までの距離Ｌ２は、Ｌ１と等しく（または等しいとみなせる範囲内に）設定される。本実施例では、Ｌ１＝Ｌ２＝２ｍｍとする。なおＬ１、Ｌ２は実効光路長に対応しており、実効光路長とは物理長を屈折率で除した値である。

発光素子１１としてのＬＥＤから出射した発散光束は、格子パターン２１に入射する。格子パターン２１によって回折および反射された０次光、＋１次回折光と−１次回折光は、受光素子アレイ１２上で互いに干渉し、これにより周期Ｐの光強度分布を有する干渉縞が形成される。
図６は、受光素子アレイ１２上の干渉縞の空間周波数Ｐに対する、４つの相に対して設けられた４つのＩＶアンプそれぞれの出力の信号振幅の応答特性を示している。

横軸の空間周波数は、受光素子アレイ１２の群内素子ピッチの逆数１／Ｐｐｄで正規化されており、１で信号振幅の応答がピークを持つ。本実施例では、検出格子としての受光素子アレイ１２の群内素子ピッチＰｐｄが、検出感度がピークとなる周期Ｐ０に対応する。

干渉縞の周期ＰがＰｐｄからずれると、出力される信号振幅は減衰し、読み取っている干渉縞の本数をＮ（本実施例では４０）として、Ｐｐｄ／Ｐが（Ｎ＋１）／Ｎ＝１．０２５、或いは、（Ｎ−１）／Ｎ＝０．９７５までずれると、信号が消失する。即ち、受光素子アレイ１２は、前記第１の干渉縞の周期に対応した検出周期を有し、第１の周期としてのＰ０を含む所定の周期範囲の第１の干渉縞を検出可能であって、前記所定の周期範囲外の干渉縞は実質的に検出不能となっている。

図７にＸ軸側より見た光路展開図を示す。図５と同様に、本実施例のエンコーダの光路を展開して、すなわち反射を透過のように展開して示している。続いて、図７を用いて、回折の作用をスケール半径ごとに示す。
領域Ａの半径ｒ０を通る光束は、周方向のパターン周期Ｔｐ×ｒ０が光学倍率Ｍ０＝（Ｌ１＋Ｌ２）／Ｌ１で、受光素子アレイ１２上に投影され、Ｔｐ×ｒ０×Ｍ０の空間周期の干渉縞を形成する。発光素子１１の発光点を配置する半径位置から領域Ｂ内の半径ｒ１の距離ｄｒ１は以下のように書ける。

ｄｒ１＝ｒ１−ｒ０＋ｄｒ０
発光点から領域Ｂ内の半径ｒ１に入射する光束３１の光路長Ｏｐｌ１Ａは以下の数１のように書ける。

光束３１の入射角θ１ｉｎは以下の数２のように書ける。

半径ｒ１から内周方向に回折され受光素子アレイ１２上に入射する光束４１ｂの、受光素子アレイ１２に入射する半径位置からｒ１の距離ｄｒ１＿ｒは、回折光の出射角θ１ｏｕｔを用い以下の数３、数４のように書ける。

光束４１ｂの光路長ＯｐｌＢは以下の数５のように書ける。

半径ｒ１から内周方向に回折され受光素子アレイ１２上に入射する光束の光学倍率Ｍ１は以下の数６のように書ける。

光束４１ｂにより、受光素子アレイ１２上に形成される円周方向の干渉縞の空間周期Ｐ１は以下の数７のように書ける。

正規化空間周波数１／Ｐ１×Ｐｐｄは、０．９９９となる。
同様に、内周側のｒ２を経由する光線の作用を、図８を用いて説明する。
発光素子１１の発光点を配置する半径位置から領域Ｃ内の半径ｒ２の距離ｄｒ２は以下の数８のように書ける。

発光点から領域Ｃ内の半径ｒ２に入射する光束３２の光路長Ｏｐｌ２Ａは以下の数９のように書ける。

光束３１の入射角θ２ｉｎは以下の数１０のように書ける。

半径ｒ２から外周方向に回折され受光素子アレイ１２上に入射する光束４２ｃの、受光素子アレイ１２に入射する半径位置からｒ２の距離ｄｒ２＿ｒは、回折光の出射角θ２ｏｕｔを用い以下の数１１、数１２のように書ける。

光束４２ｃの光路長Ｏｐｌ２Ｂは以下の数１３のように書ける。

半径ｒ２から外周方向に回折され受光素子アレイ１２上に入射する光束の光学倍率Ｍ２は以下の数１４のように書ける。

光束４２ｃにより、受光素子アレイ１２上に形成される円周方向の干渉縞の空間周期Ｐ２は以下の数１５のように書ける。

正規化空間周波数１／Ｐ２×Ｐｐｄは、１．００５となる。
以上のように、光源から第２の半径領域の格子（周期）パターンまでの光路長より、前記第２の半径領域の格子（周期）パターンから前記受光素子までの回折光の光路長が長くなるように構成されている。また、光源から第３の半径領域の格子（周期）パターンまでの光路長より、前記第３の半径領域の格子（周期）パターンから前記受光素子までの回折光の光路長が短くなるように構成されている。

一方、半径ｒ１から径方向に回折されずに受光素子アレイ１２上に入射する光束４１ａは以下のようになる。
光束４１ａ（径方向０次光）は、周方向のパターン周期Ｔｐ×ｒ１が光学倍率Ｍ０＝（Ｌ１＋Ｌ２）／Ｌ１で、受光素子アレイ１２上に投影され、Ｔｐ×ｒ１×Ｍ０の空間周期Ｐ１′の干渉縞を形成する。空間周期Ｐ１′は以下の数１６で表される。

正規化空間周波数１／Ｐ１′×Ｐｐｄは、０．９６８となる。これは、ｒ０／ｒ１に等しい。一方、信号が消失する正規化空間周波数は、（Ｎ−１）／Ｎ＝０．９７５であり、上記はこれよりさらにずれているため、検出信号に実質的に寄与することができない。言い換えると、ｒ１ ＞ ｒ０×Ｎ／（Ｎ−１）であることが、径方向に回折構造が無い場合に検出信号に実質的に寄与できない一つの条件である。なお、Ｎは受光素子で読み取っている干渉縞の本数である。

同様に、半径ｒ２から径方向に回折されずに受光素子アレイ１２上に入射する光束４２ａは以下のようになる。光束４２ａ（径方向０次光）は、周方向のパターン周期Ｔｐ×ｒ２が光学倍率Ｍ０＝（Ｌ１＋Ｌ２）／Ｌ１で、受光素子アレイ１２上に投影され、Ｔｐ×ｒ２×Ｍ０の空間周期Ｐ２´の干渉縞を形成する。空間周期Ｐ２′は以下の数１７で表される。

正規化空間周波数１／Ｐ２′×Ｐｐｄは、１．０３４となる。これは、ｒ０／ｒ２に等しい。一方、信号が消失する正規化空間周波数は、（Ｎ−１）／Ｎ＝１．０２５であり、上記はこれよりさらにずれているため、検出信号に実質的に寄与することができない。

言い換えると、ｒ２ ＜ ｒ０×Ｎ／（Ｎ＋１）であることが、径方向に回折構造が無い場合に検出信号に実質的に寄与できない一つの条件である。
上述のように、径方向の回折構造が無い場合は、上記の条件を満たす半径ｒ１、ｒ２を経由する光束は、検出信号に有効に寄与できない。

受光素子アレイ１２の径方向の大きさＹｐｄは、検出信号に実質的に寄与する光束、すなわち、半径ｒ１から内周方向に回折される光束４１ｂ、半径ｒ２から外周方向に回折される光束４２ｃ、が入射する位置をカバーしていることが望ましい。さらに望ましくは、図９に示すように、検出信号に実質的に寄与しない光束、半径ｒ１、半径ｒ２から径方向に回折されない光束４１ａ、４２ａが入射しないような幅（たとえば、Ｙｐｄ＝６００μｍ）とすることで、信号のＳＮ比を向上することができる。

上述したように、ｒ１、もしくはｒ２の半径位置のパターンは、本実施例のような径方向の回折構造が無い場合は径方向０次光成分のみとなり、受光素子が検出可能な所定の周期範囲から外れてしまうため、位置検出信号のＳ／Ｎ比に寄与することができない。しかし本実施例では、前記の所定の周期範囲外のパターンも効率的に検出信号に寄与させるために、ｒ１もしくはｒ２の半径位置（半径領域）のパターンに径方向の回折構造を持たせている。

更に、光源からの光を格子パターンに対して、前記格子パターンより前記ロータリースケールの中心に近い側から光を照射するようにしている。そして、受光素子は、前記格子パターンからの回折光を前記格子パターンより前記ロータリースケールの中心から遠い側で受光するように配置されている。
なお、前記の第１のパターンは、透過率や反射率や光路差のいずれかの光学特性が、円周方向に所定の角度毎に交互に変化するように配列されていれば良い。同心円状パターンも同様に透過率や反射率や光路差のいずれかの光学特性が径方向に変化するように配列されていれば良い。

さらに望ましくは、径方向に回折されて形成される周方向の干渉縞が、信号が消失する空間周波数ずれの半分以下の範囲に入っていることである。信号が消失する空間周波数は、検出に用いる干渉縞の本数をＮ、検出感度がピークとなる周期Ｐ０として、
（Ｎ±１）／Ｎ／Ｐ０
と書ける。本実施例のように受光素子アレイを検出格子として検出する場合には、Ｐ０＝Ｐｐｄとなる。

望ましくは、径方向に回折され受光素子アレイ１２上に入射する光束により検出格子上に形成される円周方向の干渉縞の空間周期Ｐ（本実施例におけるＰ１もしくはＰ２）が、以下の条件を満たす。そのために、径方向の格子構造周期である距離Ｒｐ（本実施例におけるＲｐ１もしくはＲｐ２）を以下の条件に合うように設定する。
（Ｎ−０．５）／Ｎ／Ｐ０＜１／Ｐ＜（Ｎ＋０．５）／Ｎ／Ｐ０

前記受光素子アレイは、前記第１のパターンにより形成された周期Ｑ１の第１の干渉縞を受光するとともに、前記第２のパターンによって回折され、前記第１の干渉縞の方向に向けて形成される周期Ｑ２の第２の干渉縞を受光するように配置されている。そして、光学式エンコーダは、領域Ｃの第２パターンについては、
Ｐ２×Ｑ１／Ｐ１＜Ｑ２＜Ｐ１×Ｑ１／Ｐ２
領域Ｂの第２のパターンについては、
Ｐ２×Ｑ１／Ｐ１＞Ｑ２＞Ｐ１×Ｑ１／Ｐ２
の条件を満たすように構成されている。より好ましくは、領域Ｃの第２パターンについては、
Ｐ２×Ｑ１／Ｐ１＜Ｑ２＜Ｑ１
領域Ｂの第２のパターンについては、
Ｐ２×Ｑ１／Ｐ１＞Ｑ２＞Ｑ１
の条件を満たすように構成されている。

以上述べたように、本実施例によれば、円周方向の周期がずれて検出信号に実質的に寄与できない領域である半径ｒ１もしくはｒ２の領域に対して、径方向に所定の周期の回折構造を持たせている。また半径ｒ１もしくはｒ２の領域からの光束を回折し、検出格子上で検出可能な周期の干渉縞を形成するようにしている。それにより、従来技術では検出信号に実質的に寄与できない半径領域からの光束を、有効な光束として受光することができ、光の利用効率を向上するとともに、ＳＮ比を向上することができる。

図１０は実施例２における格子パターン２１の例を示す図である。それ以外の構成は実施例１のものと共通である。本実施例におけるスケール２０には、円周方向に交互に配列された位相段差に、全面反射膜を備えた反射型回折格子として形成された格子パターン２１が設けられている。図１０中、グレー部が凹部、白部が凸部である。凹部と凸部による位相差は約波長／２で設計されている。

格子パターン２１には、円周方向に交互に配列された凹部と凸部からなるスリット列が、径方向に複数並べられて設けられている。スリット列は、円周方向の凸部幅がＴｗ１の列と、Ｔｗ２の列が、円周方向の格子位相を１８０度異ならせて、径方向に交互に隣接して配置されている。
隣接する円周方向の格子位相が同じスリット列の径方向の中心間の距離Ｒｐ（ｒ）は、半径ｒがｒ０から離れるに従い、徐々に小さくなるように変化させている。

本実施例では以下のパラメータを用いる。
Ｔｐ＝２π／８６４＝０．００７２７２ ｒａｄ
Ｔｗ１＝Ｔｐ／２
Ｔｗ２＝Ｔｐ／２
ｒ０＝５．５ｍｍ
λ＝６５０ｎｍ
ｄｒ０＝１ｍｍ
Ｌ１＝Ｌ２＝２ｍｍ

なお、本実施例では反射型スケールを用いているが、本実施例はこれに限るものでは無く、透過型で構成しても良い。その場合は、反射膜を無くし、透明基材による段差構造とし、空気と透明基材の屈折率差による位相差をλ／２とすれば良い。
続いて、図１１を用いて、径方向回折の作用を説明する。
格子パターン２１によって回折および反射された＋１次回折光と−１次回折光は、例えば図１３に示すインデックス格子１５上で互いに干渉し、周期Ｐ（ｒ）の干渉縞が形成される。

即ち、径方向に集光作用をもつ回折レンズとして作用し、受光素子アレイ１２上で略焦点を結ぶ。焦点を結ぶためには、例えば、以下の数１８〜数２２を満たすように、スリット列の中心間の距離Ｒｐ（ｒ）を決めれば良い。

発光点から半径ｒに入射する光束３１の光路長Ｏｐｌ１Ａは以下の数２３のように書ける。

光束４１ｂの光路長ＯｐｌＢは以下の数２４のように書ける。

半径ｒから内周方向に回折され受光素子アレイ１２上に入射する光束の光学倍率Ｍ１は以下の数２５のように書ける。

光束４１ｂにより、受光素子アレイ１２上に形成される円周方向の干渉縞の空間周期Ｐ１は以下の数２６のように書ける。

上記条件において、受光素子アレイ１２上の正規化空間周波数１／Ｐ（ｒ）×Ｐｐｄと、光束が通過した半径位置ｒの関係を図１２の実線に示す。

一方、半径ｒから径方向に回折されずに受光素子アレイ１２上に入射する光束４１ａ（径方向０次光）は、周方向のパターン周期Ｔｐ×ｒが光学倍率Ｍ０＝（Ｌ１＋Ｌ２）／Ｌ１で、受光素子アレイ１２上に投影される。その結果、以下の数２７で表される空間周期Ｐ（ｒ）′の干渉縞を形成する。

径方向に回折されずに受光素子アレイ１２上に入射する成分の、正規化空間周波数１／Ｐ（ｒ）′×Ｐｐｄと、光束が通過した半径位置ｒの関係を図１２の破線で示す。

図１２で示したように、干渉縞の周期ＰがＰｐｄからずれると、出力される信号振幅は減衰する。読み取っている干渉縞の本数をＮ（本実施例では４０）として、Ｐｐｄ／Ｐが（Ｎ＋１）／Ｎ＝１．０２５、或いは、（Ｎ−１）／Ｎ＝０．９７５までずれると、信号が消失する。つまり、径方向の回折構造が無い場合は、読み取り中心半径ｒ０から±０．１ｍｍ以上ずれた位置を経由する光束は、検出信号に有効に寄与できない。一方、実線で示すように、径方向の回折構造を持たせることで、読み取り中心半径ｒ０から±１ｍｍずれた位置を経由する光束でも、検出信号に有効に寄与させることができる。

このように、径方向への回折構造をもたせることで、広い半径領域にわたって、検出信号に実質的に寄与できるようになっていることが分かる。
さらに、径方向の集光効果を持たせた上で、検出信号に実質的に寄与する半径範囲を広くとる条件について述べる。図１１において、発光素子１１から格子パターン２１までの距離Ｌ１、格子パターン２１から受光素子アレイ１２までの距離Ｌ２をＬ１と等しく（または等しいとみなせる範囲内に）設定し、Ｌ１＝Ｌ２＝Ｌとする。受光部を発光素子に対して回転軸の外周側に配置する。受光部の径方向中心から発光素子の径方向中心の径方向距離をｄ、両者の径方向の中点におけるスケール半径をｒ０とする。
下記の数２８を満たす場合に、集光効果と広い検出範囲を得ることができる。

特に、下記の数２９が１に近いと、理想的な集光状態になる。

以上述べたように、光源、受光素子の半径方向の配置、スケールとの距離を上記条件のように配置することにより、径方向に狭い範囲に集光させつつ、検出信号に有効に寄与させることができる。径方向に集光されることで、面内回転の許容量を増大させる効果も得られる。

図１３は本実施例における光学式エンコーダの他の構成例を示している。
センサユニット１０は、ＬＥＤにより構成された発光素子１１と受光素子アレイ１２を有する受光ＩＣ１３とが同一パッケージ内に実装された受発光一体型のセンサユニットとしている。発光素子１１からスケール２０に向かう光路中には、位置検出方向に交互に配列された透過部と遮光部とにより透過型回折格子として形成された第１の格子としての光源格子（光源パターン）１４が設けられている（図１６参照）。

また、スケール２０から受光素子アレイ１２に向かう光路中（スケール２０と受光素子アレイ１２との間）には、第３の格子としてのインデックス格子（中間パターン）１５が設けられている。インデックス格子１５は、位置検出方向に交互に配列された透過部と遮光部とにより透過型回折格子として形成されている。光源格子１４とインデックス格子１５はそれぞれ、カバーガラス１６の一方の面上に透過部となるクロム膜を形成することで設けられる。光源格子１４とインデックス格子１５が設けられたカバーガラス１６は、発光素子１１および受光ＩＣ１３が封止された透光性樹脂１７に対して貼り合わされて、これら発光素子１１および受光ＩＣ１３と光学的に一体化される。

図１４は実施例３におけるスケール２０上の格子パターン２１の例を示す図である。本実施例におけるスケール２０には、円周方向に交互に配列された位相段差に、全面反射膜を備えた反射型回折格子として形成された格子パターン２１が設けられている。図１４中、グレー部が凹部、白部が凸部である。凹部と凸部による位相差は約波長／２で設計されている。
読み取り中心半径ｒ０を中心とし、径方向幅Ｗｒ０の領域には、領域Ａを備え、円周方向に交互に配列された凸部と凹部からなるスリット列が設けられている。

半径がｒ０＋Ｗｒ０／２より大きい領域は、所定の半径ｒ１を含む領域Ｂを備える。領域Ｂは、円周方向に交互に配列された凸部と凹部からなるスリット列が、径方向に複数並べられて設けられている。スリット列は、径方向に円周方向の凸部幅はＴｗ１の列と、Ｔｗ２の列が、円周方向の格子位相を１８０度異ならせて交互に隣接して配置されている。径方向に交互に配列される円周方向の格子位相において、径方向に隣接する格子位相の径方向の中心間の距離はＲｐ１で、径方向の凸部幅はＲｓ１、凹部幅はＲｍ１である。

同様に、半径がｒ０−Ｗｒ０／２より小さい領域は、所定の半径ｒ２を含む領域Ｃを備え、円周方向に交互に配列された凸部と凹部からなるスリット列が、径方向に複数並べられて設けられている。スリット列は、径方向に円周方向の凸部幅はＴｗ１の列と、Ｔｗ２の列が、円周方向の格子位相を１８０度異ならせて交互に隣接して配置されている。径方向に交互に配列される円周方向の格子位相において、径方向に隣接する格子位相の径方向の中心間の距離はＲｐ２で、径方向の凸部幅はＲｓ２、凹部幅はＲｍ２である。

本実施例では以下のパラメータとなっている。
Ｗｒ０＝０．１２ｍｍ
Ｔｐ＝２π／１８８５＝０．００３３３３３ ｒａｄ
Ｔｗ１＝Ｔｐ／２
Ｔｗ２＝Ｔｐ／２
Ｒｐ１＝９μｍ
Ｒｓ１＝Ｒｐ１／２
Ｒｍ１＝Ｒｐ１／２
Ｒｐ２＝９μｍ
Ｒｓ２＝Ｒｐ２／２
Ｒｍ２＝Ｒｐ２／２
ｒ０＝６ｍｍ
ｒ１＝６．１ｍｍ
ｒ２＝５．９ｍｍ

なお、本実施例では反射型スケールを用いているが、本発明はこれに限るものでは無く、透過型で構成しても良い。その場合は、反射膜を無くし、透明基材による段差構造とし、空気と透明基材の屈折率差による位相差を波長／２とすれば良い。
本実施例では、受光素子アレイ１２は、３２個の受光素子が位置検出方向に一列に並べられて構成されている。位置検出方向において互いに隣り合う２つの受光素子の中心間距離（隣接素子ピッチ）Ｘｐｄは６４μｍである。また、各受光素子の位置検出方向に直交する方向（Ｙ方向）でのサイズ（幅）Ｙｐｄは４５０μｍである。

３２個の受光素子は、Ａ（＋）相、Ｂ（＋）相、Ａ（−）相およびＢ（−）相に、この順で、かつ循環的に割り当てられており、これら４つの相における各相に割り当てられた８個（２以上）の受光素子が１つの受光素子群を構成する。つまり、本実施例では、それぞれ８個の受光素子により構成される受光素子群が４つ設けられている。各受光素子群を構成する８つの受光素子は互いに電気的に接続されており、これらの出力（電流）は互いに足し合わされて後段に相ごとに設けられた不図示のＩＶ変換アンプに入力される。４つおきに配置された同じ受光素子群を構成する８つの受光素子のうち位置検出方向において最も近い２つの受光素子の中心間距離（群内素子ピッチＰ）Ｐｐｄは２５６（＝６４×４）μｍである。

図１５には、本実施例のエンコーダの光路を展開して、すなわち反射を透過のように展開して示している。発光素子１１と光源格子１４の距離Ｌ０は０．３ｍｍである。発光素子１１とともに光源を構成する光源格子１４（後述する２次点光源）から格子パターン２１までの距離Ｌ１は、２．１ｍｍ±０．３ｍｍの範囲に設定される。格子パターン２１からインデックス格子１５までの距離Ｌ２は、Ｌ１と等しく（または等しいとみなせる範囲内に）設定される。本実施例では、Ｌ１＝Ｌ２＝２．１ｍｍとする。インデックス格子１５から受光素子アレイ１２までの実効光路長としての距離Ｌ３は、０．３ｍｍである。実効光路長とは、物理長を屈折率で除した値である。

図１６には、センサユニット１０の構成をスケール側から見て示している。光源格子１４の格子ピッチＰ_１は２０μｍであり、インデックス格子１５の格子ピッチＰ３は１８．４６１５４μｍである。
発光素子１１としてのＬＥＤから出射した発散光束は、光源格子１４を通過することによって互いにインコヒーレントな複数の２次点光源を含む光源アレイを形成する。

光源格子１４から出射した発散光束は、格子パターン２１に入射する。なお、本実施例では、ＬＥＤと光源格子１４との組み合わせによって２次点光源を形成するが、これに代えて、電流狭窄型ＬＥＤや半導体レーザー等を実効的な点光源として配置してもよい。また、本実施例では、光源格子１４上の点光源からの発散光束をそのまま格子パターン２１に入射させるが、これに代えて、レンズを用いて実効的な点光源の位置を変換して格子パターン２１に入射させてもよい。この場合、Ｌ１は実効的な点光源と格子パターン２１との間の距離に置き換えられる。

格子パターン２１によって回折および反射された＋１次回折光と−１次回折光は、インデックス格子１５上で互いに干渉し、周期Ｐの干渉縞が形成される。インデックス格子１５の格子ピッチＰ３とＰの差により、もとの干渉縞に対して粗い空間周期Ｐｍが重畳された光強度分布（干渉縞）がインデックス格子１５を透過する。空間周期Ｐｍは以下の式で表すことができる。ただし、ＡＢＳ（ｘ）はｘの絶対値を表す関数である。
Ｐｍ＝ＡＢＳ（Ｐ・Ｐ３／（Ｐ−Ｐ３））

インデックス格子１５を透過した空間周期Ｐｍの光強度分布は、さらに伝搬して、像倍率Ｍで受光素子アレイ１２上に投影される。すなわち、受光素子アレイ１２上には、空間周期Ｍ・Ｐｍの光強度分布が形成される。このときの像倍率Ｍは、
Ｍ＝（Ｌ０＋Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３）／（Ｌ０＋Ｌ１＋Ｌ２）
で表される。

受光素子アレイ１２上には、Ｍ・Ｐｍの周期を持つ強度分布が形成され、
Ｍ・Ｐｍ＝Ｐｐｄ
のときに、検出振幅がピークとなる。
言い換えると、インデックス格子１５上で、検出振幅がピークとなる空間周期Ｐ０は以下のように表せる。

Ｐ０＝Ｐ３・Ｐｐｄ／（Ｐｐｄ−Ｍ・Ｐ３）＝２０μｍ
その時にインデックス格子１５上で読み取られる干渉縞の本数Ｎは、受光素子アレイ１２の全幅２０４８μｍをＰ０・Ｍで割って、Ｎ＝９６となる。

図１７は、インデックス格子１５上の干渉縞の空間周波数Ｐに対する、４つの相に対して設けられた４つのＩＶアンプの出力の信号振幅の応答特性を示している。横軸の空間周波数は、インデックス格子と受光素子アレイからなる検出系の検出ピーク周波数がＰ０の逆数で正規化されており、１で信号振幅の応答がピークを持つ。

干渉縞の周期ＰがＰ０からずれると、出力される信号振幅は減衰し、読み取っている干渉縞の本数をＮ（本実施例では９６）として、Ｐ０／Ｐが（Ｎ＋１）／Ｎ＝１．０１、或いは、（Ｎ−１）／Ｎ＝０．９９までずれると、信号が消失する。

続いて、図１８を用いて、回折の作用をスケール半径ごとに示す。
光源の中心波長をλとし、発光素子１１の発光点を配置する半径から読み取り中心半径ｒ０の距離をｄｒ０とする。本実施例では、
λ＝６５０ｎｍ
ｄｒ０＝１ｍｍ
とする。

領域Ａの、半径ｒ０を通る光束は、周方向のパターン周期Ｔｐ×ｒ０が光学倍率Ｍ０＝（Ｌ１＋Ｌ２）／Ｌ１で、受光素子アレイ１２上に投影され、Ｔｐ×ｒ０×Ｍ０／２の空間周期の干渉縞を形成する。
発光素子１１の発光点を配置する半径から領域Ｂ内の半径ｒ１の距離ｄｒ１は以下の数３０のように書ける。

光束３１の入射角θ１ｉｎは以下の数３１のように書ける。

光源格子から領域Ｂ内の半径ｒ１に入射する光束３１の光路長Ｏｐｌ１Ａは以下の数３２ように書ける。

半径ｒ１から内周方向に回折され受光素子アレイ１２上に入射する光束４１ｂのインデックス格子に入射する半径位置からｒ１の距離ｄｒ１＿ｒは、回折光の出射角θ１ｏｕｔを用い以下の数３３、数３４のように書ける。

光束４１ｂの光路長ＯｐｌＢは以下の数３５のように書ける。

半径ｒ１から内周方向に回折され受光素子アレイ１２上に入射する光束の光学倍率Ｍ１は以下の数３６のように書ける。

光束４１ｂにより、受光素子アレイ１２上に形成される円周方向の干渉縞の空間周期Ｐ１は以下の数３７のように書ける。

正規化空間周波数１／Ｐ１×Ｐ０は、０．９９９となる。
同様に、内周側のｒ２を経由する光線の作用を、図１９を用いて説明する。
発光素子１１の発光点を配置する半径から領域Ｃ内の半径ｒ２の距離ｄｒ２は以下の数３８のように書ける。

光束３１の入射角θ２ｉｎは以下の数３９のように書ける。

発光点から領域Ｃ内の半径ｒ２に入射する光束３２の光路長Ｏｐｌ２Ａは以下の数４０のように書ける。

半径ｒ２から外周方向に回折され受光素子アレイ１２上に入射する光束４２ｃの、受光素子アレイ１２に入射する半径位置からｒ２の距離ｄｒ２＿ｒは、回折光の出射角θ２ｏｕｔを用い以下の数４１、数４２のように書ける。

光束４２ｃの光路長Ｏｐｌ２Ｂは以下の数４３のように書ける。

半径ｒ２から外周方向に回折され受光素子アレイ１２上に入射する光束の光学倍率Ｍ２は以下の数４４のように書ける。

光束４２ｃにより、受光素子アレイ１２上に形成される円周方向の干渉縞の空間周期Ｐ２は以下の数４５のように書ける。

正規化空間周波数１／Ｐ２×Ｐｐｄは、１．０００となる。

一方、半径ｒ１から径方向に回折されずに受光素子アレイ１２上に入射する光束４１ａは以下の数４６のようになる。光束４１ａ（径方向０次光）は、周方向のパターン周期Ｔｐ×ｒ１が光学倍率Ｍ０＝（Ｌ１＋Ｌ２）／Ｌ１で、受光素子アレイ１２上に投影され、Ｔｐ×ｒ１×Ｍ０／２の空間周期Ｐ１′の干渉縞を形成する。

正規化空間周波数１／Ｐ１′×Ｐ０は、０．９８４となる。

同様に、半径ｒ２から径方向に回折されずに受光素子アレイ１２上に入射する光束４２ａは以下の数４７のようになる。光束４２ａ（径方向０次光）は、周方向のパターン周期Ｔｐ×ｒ２が光学倍率Ｍ０＝（Ｌ１＋Ｌ２）／Ｌ１で、受光素子アレイ１２上に投影され、Ｔｐ×ｒ２×Ｍ０の空間周期Ｐ２′の干渉縞を形成する。

正規化空間周波数１／Ｐ２′×Ｐｐｄは、１．０１７となる。

半径ｒ１、ｒ２から径方向に回折しない光束による干渉縞による出力応答は、検出感度がピークとなる周期Ｐ０の応答とは逆符号になっており、検出信号に実質的に寄与しない成分であることが図１７より分かる。つまり、径方向の回折構造が無い場合は、半径ｒ１、ｒ２を経由する光束は、検出信号に有効に寄与できない。

以上述べたように、本実施例によれば、径方向に適切な周期の回折構造を持たせ、円周方向の周期がずれて検出信号に実質的に寄与できない領域の半径位置のパターンからの光束を回折し、検出格子上で検出可能な周期の干渉縞を形成するようにしている。

図２０は実施例４における格子パターン２１の例を示す図である。本実施例におけるスケール２０には、円周方向に交互に配列された位相段差に、全面反射膜を備えた反射型回折格子として形成された格子パターン（格子パターン）２１が設けられている。図２０中、グレー部が凹部、白部が凸部である。凹部と凸部による位相差は約波長／２で設計されている。

読み取り中心半径ｒ０を中心とし、径方向幅ｒＷ０の領域には、領域Ａを備え、円周方向に交互に配列された凸部と凹部からなるスリット列が設けられている。領域Ａにおいては、凹部スリットと凸部スリットの境界Ｔｐ／６幅に、径方向に周期を持つ凹凸格子となっている。径方向の格子周期は４μｍである。

半径がｒ０＋Ｗｒ０／２より大きい領域は、所定の半径ｒ１を含む領域Ｂを備える。領域Ｂは、円周方向に交互に配列された凸部と凹部からなるスリット列が、径方向に複数並べられて設けられている。スリット列は、径方向に円周方向の凸部幅がＴｗ１の列と、Ｔｗ２の列が、円周方向の格子位相を１８０度異ならせて交互に隣接して配置されている。径方向に交互に配列される格子位相において、径方向に隣接する格子位相の径方向の中心間の距離はＲｐ１で、径方向の凸部幅はＲｓ１、凹部幅はＲｍ１である。

同様に、半径がｒ０‐Ｗｒ０／２より小さい領域は、所定の半径ｒ２を含む領域Ｃを備え、円周方向に交互に配列された凸部と凹部からなるスリット列が、径方向に複数並べられて設けられている。スリット列は、径方向に円周方向の凸部幅はＴｗ１の列と、Ｔｗ２の列が、円周方向の格子位相を１８０度異ならせて交互に隣接して配置されている。径方向に交互に配列される格子位相において、径方向に隣接する格子位相の径方向の中心間の距離はＲｐ２で、径方向の凸部幅はＲｓ２、凹部幅はＲｍ２である。

実施例３との違いは、格子デューティ比（周方向周期の中での凸部幅と凹部幅の比率）が１：２となっている点である。すなわち、Ｔｗ１／Ｔｐ＝Ｔｗ２／Ｔｐ＝１／３である。
本実施例では以下のパラメータとなっている。

Ｗｒ０＝０．１２ｍｍ
Ｔｐ＝２π／１８８５＝０．００３３３３３ ｒａｄ
Ｔｗ１＝Ｔｐ／３
Ｔｗ２＝Ｔｐ／３
Ｒｐ１＝９μｍ
Ｒｓ１＝Ｒｐ１／２
Ｒｍ１＝Ｒｐ１／２
Ｒｐ２＝９μｍ
Ｒｓ２＝Ｒｐ２／２
Ｒｍ２＝Ｒｐ２／２
ｒ０＝６ｍｍ
ｒ１＝６．１ｍｍ
ｒ２＝５．９ｍｍ

なお、本実施例では反射型スケールを用いているが、本発明はこれに限るものでは無く、透過型で構成しても良い。その場合は、反射膜を無くし、透明基材による段差構造とし、空気と透明基材の屈折率差による位相差をλ／２とすれば良い。

本実施例では、領域Ｂ、領域Ｃで格子デューティを１：２とすることで、径方向の回折光に含まれる、円周方向の±３次回折光を低減することができる。また、領域Ａの凹部スリットと凸部スリットの境界Ｔｐ／６幅に、径方向に周期を持つ凹凸格子としたことで、径方向に回折しない成分に含まれる、円周方向の±３次回折光を低減することができる。このようにすることで、ギャップの変化に対する信号振幅の変動を抑制することが可能である。

図２１は実施例５における格子パターン２１の例を示す図である。本実施例におけるスケール２０には、円周方向に交互に配列された位相段差に、全面反射膜を備えた反射型回折格子として形成された格子パターン２１が設けられている。図２０中、グレー部が凹部、白部が凸部である。凹部と凸部による位相差は約波長／２で設計されている。

読み取り中心半径ｒ０を中心とし、径方向幅ｒＷ０の領域には、領域Ａを備え、円周方向に交互に配列された凸部と凹部からなるスリット列が設けられている。領域Ａのスリット列は実施例４の物と同様である。

半径がｒ０＋Ｗｒ０／２より大きい領域は、所定の半径ｒ１を含む領域Ｂを備える。領域Ｂは、円周方向に交互に配列された凸部と凹部からなるスリット列が、径方向に複数並べられて設けられている。スリット列は、径方向に円周方向の凸部幅はＴｗ１の列と、Ｔｗ２の列が、円周方向の格子位相を１２０度（２π×ｄＴ／Ｔｐ ｒａｄ）異ならせて交互に隣接して配置されている。径方向に交互に配列される格子位相において、径方向に隣接する格子位相の径方向の中心間の距離はＲｐ１で、径方向の凸部幅はＲｓ１、凹部幅はＲｍ１である。

同様に、半径がｒ０‐Ｗｒ０／２より小さい領域は、所定の半径ｒ２を含む領域Ｃを備る。領域Ｃは、円周方向に交互に配列された凸部と凹部からなるスリット列が、径方向に複数並べられて設けられている。スリット列は、径方向に円周方向の凸部幅はＴｗ１の列と、Ｔｗ２の列が、円周方向の格子位相を１２０度（２π×ｄＴ／Ｔｐ ｒａｄ）異ならせて交互に隣接して配置されている。径方向に交互に配列される格子位相において、径方向に隣接する格子位相の径方向の中心間の距離はＲｐ２で、径方向の凸部幅はＲｓ２、凹部幅はＲｍ２である。
本実施例では以下のパラメータとなっている。

Ｗｒ０＝０．１２ｍｍ
Ｔｐ＝２π／１８８５＝０．００３３３３３ ｒａｄ
Ｔｗ１＝Ｔｐ／２
Ｔｗ２＝Ｔｐ／２
ｄＴ＝Ｔｐ／３
Ｒｐ１＝９μｍ
Ｒｓ１＝Ｒｐ１／２
Ｒｍ１＝Ｒｐ１／２
Ｒｐ２＝９μｍ
Ｒｓ２＝Ｒｐ２／２
Ｒｍ２＝Ｒｐ２／２
ｒ０＝６ｍｍ
ｒ１＝６．１ｍｍ
ｒ２＝５．９ｍｍ

本実施例は、エンコーダをレンズ鏡筒へ搭載した撮像装置であり、図２２は撮像装置の断面模式図である。図２２において、５３はセンサユニット、５４はＣＰＵであり、メモリ５７に記憶されたコンピュータプログラムに基づき装置全体の各種動作を実行する制御部として機能する。これらがエンコーダを構成している。ここで、センサユニット５３は実施例１におけるセンサユニット１０の機能をする。
また、５１はレンズ群、５２は駆動レンズ、５５は撮像素子、５０は円筒体であり、これらが撮像手段を構成している。レンズ群４１を構成する駆動レンズ５２は、例えばオートフォーカス用のレンズであり、光軸方向であるＹ方向に変位可能である。

駆動レンズ５２は、オートフォーカス用のレンズに限らずズーム調整レンズなど、駆動変位可能なレンズなどであればその他のものでも構わない。本実施例のスケール取り付け構成における円筒体５０は、駆動レンズ５２を駆動する図示しないアクチュエータと連結されている。
スケール２０は、円盤面上に形成された放射状パターンよりなるロータリー型スケールであり、減速ギア５６を介して円筒体５０と連結されている。

アクチュエータ、または手動により、円筒体５０を、レンズ群５１の光軸を中心に回転させると、スケール２０はセンサユニット５３に対して相対的に回転変位し、それに伴い駆動レンズ５２が光軸方向であるＹ方向（矢印方向）に駆動される。そして、エンコーダのセンサユニット５３から得られる駆動レンズ５２の変位に応じた信号は、ＣＰＵ５４に出力される。ＣＰＵ５４からは、駆動レンズ５２が所望の位置へ移動されるための駆動信号が生成され、駆動レンズ５２はその信号に基づいて駆動される。

図２３は、ガルバノ走査装置を含む、レーザー加工装置の例を示す図である。
レーザー光源６１０からのレーザー光を、ガルバノ走査装置６２０、６３０で、直交する２軸方向に偏向させる。レンズ６４０で集光されたレーザー光は、加工対象６５０に照射される。
ガルバノ走査装置６２０、６３０には、回転可動部にミラーを備え、モーターにより駆動される。ガルバノ走査装置６２０、６３０に、実施例１におけるセンサユニット１０を含む光学式エンコーダが内蔵されている。そして、光学式エンコーダの出力を、ＣＰＵ等を内蔵した不図示の制御部に入力し、制御部はモーターの回転角度制御の動作を制御し回転角度等を制御する。

このように、本発明によれば高分解能な位置検出が可能な光学式エンコーダを得ることができる。また、実施例６や実施例７のような光学式エンコーダを用いた駆動制御装置に適用することもできる。なお駆動制御装置における可動部としては実施例６や実施例７のようなレンズやミラー等に限られず、駆動変位可能なものであれば適用可能である。即ち、本発明の光学式エンコーダを用いて可動部の変位量を測定し、測定された変位量に基づき前記可動部の動作を制御する駆動制御装置全般に適用できることは言うまでもない。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
また、本実施例における制御の一部または全部を上述した実施例の機能を実現するコンピュータプログラムをネットワーク又は各種記憶媒体を介して光学式エンコーダを用いた装置に供給するようにしてもよい。そしてその光学式エンコーダを用いた装置におけるコンピュータ（又はＣＰＵやＭＰＵ等）がプログラムを読み出して実行するようにしてもよい。その場合、そのプログラム、及び該プログラムを記憶した記憶媒体は本発明を構成することとなる。

１０ センサユニット
１１ 発光素子
１２ 受光素子アレイ
１４ 光源格子
１５ インデックス格子
２０ スケール
２１ 格子パターン

Claims (18)

1. 所定の軸を回転中心として回転するとともに、前記回転中心から半径方向に沿って延び、第１の半径領域の円周方向について第１の周期Ｐ１を有する第１のパターンと、前記第１の半径領域とは異なる半径領域の円周方向について前記第１の周期とは異なる第２の周期Ｐ２を有する第２のパターンとを含む格子パターンを有するロータリースケールと、
   前記格子パターンに対して所定の角度で光を照射する光源と、
   前記光源からの光によって照射された前記格子パターンの干渉縞を検出する受光素子と、を有し、
   前記受光素子は、前記第１のパターンにより形成された周期Ｑ１の第１の干渉縞を受光するとともに、前記第２のパターンによって回折され、前記第１の干渉縞の方向に向けて形成される周期Ｑ２の第２の干渉縞を受光するように配置され、
   Ｐ２×Ｑ１／Ｐ１＜Ｑ２＜Ｐ１×Ｑ１／Ｐ２
   もしくは
   Ｐ２×Ｑ１／Ｐ１＞Ｑ２＞Ｐ１×Ｑ１／Ｐ２
   となるように構成されていることを特徴とする光学式エンコーダ。
2. 前記受光素子は、前記第１のパターンにより形成された周期Ｑ１の第１の干渉縞を受光するとともに、前記第２のパターンによって回折され、前記第１の干渉縞の方向に向けて形成される周期Ｑ２の第２の干渉縞を受光するように配置され、
   Ｐ２×Ｑ１／Ｐ１＜Ｑ２＜Ｑ１
   もしくは
   Ｐ２×Ｑ１／Ｐ１＞Ｑ２＞Ｑ１
   となるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。
3. 前記光源は、前記格子パターンに対して、前記格子パターンより前記ロータリースケールの中心に近い側から光を照射するように配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光学式エンコーダ。
4. 前記受光素子は、前記格子パターンからの回折光を前記格子パターンより前記ロータリースケールの回転中心から遠い側で受光するように配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学式エンコーダ。
5. 前記第１の半径領域とは異なる半径領域の格子パターンは、前記第１の半径領域より前記ロータリースケールの回転中心に近い第２の半径領域の格子パターンと、前記第１の半径領域よりも前記ロータリースケールの回転中心から遠い第３の半径領域の格子パターンとを含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学式エンコーダ。
6. 前記光源から第２の半径領域の格子パターンまでの光路長より、前記第２の半径領域の格子パターンから前記受光素子に回折する光の光路長が長いことを特徴とする請求項５に記載の光学式エンコーダ。
7. 前記光源から第３の半径領域の格子パターンまでの光路長より、前記第３の半径領域の格子パターンから前記受光素子に回折する光の光路長が短いことを特徴とする請求項５または６のいずれか一項に記載の光学式エンコーダ。
8. 前記受光素子は、前記第１の干渉縞の周期に対応した検出周期を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の光学式エンコーダ。
9. 所定の軸を回転中心として回転するとともに、第１の半径領域に配置された第１の周期パターンと、前記第１の半径領域とは異なる半径領域に配置された第２の周期パターンとを含む格子パターンを有するロータリースケールと、
   前記格子パターンを照射する光源と、
   前記光源からの光によって、前記第１の周期パターンにより形成された第１の干渉縞を受光するとともに、前記第２の周期パターンによって形成された第２の干渉縞を受光するように配置された受光素子と、を有し、
   前記光源は、前記格子パターンに対して、前記格子パターンより前記ロータリースケールの中心に近い側から光を照射するように配置されており、前記受光素子は、前記格子パターンからの回折光を前記格子パターンより前記ロータリースケールの中心から遠い側で受光するように配置されていることを特徴とする光学式エンコーダ。
10. 所定の軸を回転中心として回転するとともに、第１の半径領域に配置された第１の周期パターンと、前記第１の半径領域とは異なる半径領域に配置された第２の周期パターンとを含む格子パターンを有するロータリースケールと、
    前記格子パターンを照射する光源と、
    前記光源からの光によって照射された前記格子パターンにより形成される干渉縞を検出する受光素子と、を有し、
    前記受光素子は、前記第１の周期パターンにより形成された第１の干渉縞を受光するとともに、前記第１の半径領域より前記ロータリースケールの中心に近い第２の半径領域の周期パターンよって回折され前記第１の干渉縞の方向に向けて形成される第２の回折光と、前記第１の半径領域よりも前記ロータリースケールの中心から遠い第３の半径領域の周期パターンによって回折され、前記第１の干渉縞の方向に向けて形成される第３の回折光を受光するように構成され、
    前記光源から第２の半径領域の周期パターンまでの光路長より、前記第２の半径領域の周期パターンから前記受光素子までの第２の回折光の光路長が長く、前記光源から第３の半径領域の周期パターンまでの光路長より、前記第３の半径領域の周期パターンから前記受光素子までの第３の回折光の光路長が短くなるように構成したことを特徴とする光学式エンコーダ。
11. 所定の軸を回転中心として回転するとともに、前記回転中心から半径方向に延び、所定の角度毎に配置された放射状の第１のパターンを有するロータリースケールと、
    前記第１のパターンに対して光を照射する光源と、
    前記光源からの光によって、前記ロータリースケールの第１の半径領域の前記第１のパターンにより形成された第１の周期を含む所定の周期範囲の第１の干渉縞を検出可能であって、前記所定の周期範囲外の干渉縞は検出不能な受光素子と、を有し、
    前記ロータリースケールの前記所定の周期範囲外の第２の周期の第２のパターンを有する第２の半径領域の前記放射状パターンに対して、前記回転中心から所定間隔で複数配置され前記円周方向に沿って延びる同心円状パターンを設けるとともに、前記光源からの光によって前記ロータリースケールの前記第２の半径領域の前記第２の周期の第２のパターンを前記同心円状パターンによって前記第１の干渉縞の方向に向けて回折させることによって、前記所定の周期範囲の第２の干渉縞を前記受光素子に入射させるようにしたことを特徴とする光学式エンコーダ。
12. 前記同心円状パターンにおいて、径方向に隣接する格子の径方向のピッチを、前記ロータリースケールの回転中心から離れるに従い徐々に変化させたことを特徴とする請求項１１に記載の光学式エンコーダ。
13. 前記同心円状パターンにおいて、径方向に隣接する格子の径方向のピッチを、前記ロータリースケールの回転中心から離れるに従い徐々に小さくしたことを特徴とする請求項１２に記載の光学式エンコーダ。
14. 前記第１のパターンの、前記円周方向のデューティ比は１：２であることを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の光学式エンコーダ。
15. 前記第１のパターンは、透過率、反射率、光路差のいずれかの光学特性が、前記円周方向に所定の角度毎に交互に変化するように配列されることを特徴とする請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の光学式エンコーダ。
16. 前記円周方向の位相が互いに１８０度ずれた前記第１のパターンの列が半径方向に交互に配列されていることを特徴とする請求項１１〜１５のいずれか一項に記載の光学式エンコーダ。
17. 前記円周方向の位相が互いに１２０度ずれた前記第１のパターンの列が半径方向に交互に配列されていることを特徴とする請求項１１〜１５のいずれか一項に記載の光学式エンコーダ。
18. 駆動変位可能な可動部と、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の光学式エンコーダと、該光学式エンコーダを用いて前記可動部の動作を制御する制御部とを有することを特徴とする駆動制御装置。
    
    
    
    

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