JP2021179417A - 光学式エンコーダ及び制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 より小型で高精度な光学式エンコーダを提供する。【解決手段】 光源からの光が入射する第１周期の第１格子パターンと、第１の格子パターンからの光が入射する第２周期の第２格子パターンと、第２格子パターンからの光が入射する第２周期とは異なる第３周期の第３格子パターンと、第３格子パターンからの光を受光する受光素子と、を有する光学式エンコーダにおいて、第２周期と第３周期が異なることにより第３格子パターンの射出面に第３格子パターンの影を含む第１モアレ縞が形成され、第３格子パターンと受光素子を離して配置することにより第１モアレ縞に対して第３格子パターンの影が平滑化された第２モアレ縞を受光素子が受光する。【選択図】 図５

Description

本発明は、光学式エンコーダ及び制御装置に関する。

光学式エンコーダとして、スケールパターンに対して僅かに周期が異なる格子パターンを受光素子の手前に配置することにより形成されたモアレ縞を検出するモアレ検出方式のエンコーダがある（特許文献１参照）。モアレ縞の周期はスケールパターンの周期に対して顕著に大きくなるため、モアレ検出方式のエンコーダでは、大きな受光素子を用いて高い分解能のインクリメンタル信号を取得することができる。

しかし、モアレ縞に高周波の格子パターンの影が映り込むと、インクリメンタル信号に歪みや個体差を発生させうる。そこで、特許文献１に記載のエンコーダでは、テレセントリックレンズの開口数を小さくして解像力を低下させることにより、高周波の格子パターンの影が解像しないようにしている。

特開２００７−２４８２９９号公報

しかし、エンコーダにテレセントリックレンズのような光学部品を含めると構成が複雑になるとともに、エンコーダが大型化するという問題がある。

そこで、本発明は、より小型で高精度な光学式エンコーダを提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の一側面としての光学式エンコーダは、光源と、前記光源からの光が入射する、第１周期の第１格子パターンと、前記第１の格子パターンからの光が入射する、第２周期の第２格子パターンと、前記第２の格子パターンからの光が入射する、前記第２周期とは異なる第３周期の第３格子パターンと、前記第３格子パターンからの光を受光する受光素子と、を有する光学式エンコーダにおいて、前記第２周期と前記第３周期が異なることにより前記第３格子パターンの射出面に、前記第３格子パターンの影を含む第１モアレ縞が形成され、前記第３格子パターンと前記受光素子を離して配置することにより前記第１モアレ縞に対して前記第３格子パターンの影が平滑化された第２モアレ縞を、前記受光素子が受光する、ことを特徴とする。

上記課題を解決する本発明の一側面としての光学式エンコーダは、光源と、前記光源からの光が入射する、第１周期の第１格子パターンと、前記第１の格子パターンからの光が入射する、第２周期の第２格子パターンと、前記第２の格子パターンからの光が入射する、前記第２周期とは異なる第３周期の第３格子パターンと、前記第３格子パターンからの光を受光する受光素子アレイと、を有する光学式エンコーダにおいて、前記受光素子アレイは、互いに位相が異なる信号を出力する複数の受光素子を含み、前記受光素子アレイの受光面に、前記第１格子パターンの影と前記第３格子パターンの影が投影され、前記複数の受光素子のうち隣接する受光素子の中心間距離をＤ、前記第１格子パターンの影の周期及び前記第３格子パターンの影の周期の少なくとも一方をＰ、ｎを自然数とし、Ｄ／Ｐがｎ−１／４以上ｎ＋１／４以下である、ことを特徴とする。

上記課題を解決する本発明の一側面としての光学式エンコーダは、光源と、前記光源からの光が入射する、第１周期の第１格子パターンと、前記第１の格子パターンからの光が入射する、第２周期の第２格子パターンと、前記第２の格子パターンからの光が入射する、前記第２周期とは異なる第３周期の第３格子パターンと、前記第３格子パターンからの光を受光する受光素子アレイと、を有する光学式エンコーダにおいて、前記受光素子アレイは、互いに位相が異なる信号を出力する複数の受光素子を１群として複数の群が周期的に配列された受光素子アレイであって、第１受光素子群と第２受光素子群を有し、前記第１受光素子群からの信号と前記第２受光素子群からの信号が足し合わせて出力され、前記第１受光素子群と前記第２受光素子群において、前記第１格子パターンの影及び前記第３格子パターンの影の少なくとも一方が互いに異なる位相で投影される、ことを特徴とする。

本発明によれば、より小型で高精度な光学式エンコーダを提供することができる。

光学式エンコーダを示す概略図である。 光学式エンコーダの断面構造を示す概略図である。 光学式エンコーダのセンサユニットをスケール側から見た概略平面図である。 受光素子の配列を示す図である。 光学式エンコーダの光路展開図である。 スケールパターンを示す図である。 インデックス格子パターンの射出面に形成されるモアレ縞を示す図である。 回折作用によりモアレ縞が変化する様子を示す図である。 インデックス格子パターンの影の影響による振幅バラツキを示す図である。 光源格子パターンの影の影響による各相の振幅を示す図である。 受光素子アレイと格子パターンの影の関係を示す図である。 受光素子アレイと格子パターンの影の関係を示す図である。 受光素子アレイと格子パターンの影の関係を示す図である。 受光素子アレイと格子パターンの影の関係を示す図である。 複数の受光素子群と格子パターンの影の関係を示す図である。 リサージュを示す図である。 指標Ｉとリサージュ歪みの関係を示す図である。

以下に、本発明の好ましい実施形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。

図１に、光学式エンコーダ（以下、単にエンコーダという）の構成を示す。エンコーダは、不図示の装置の固定部に取り付けられるセンサユニット１０と、該装置の可動部に取り付けられ、センサユニット１０に対して回転移動可能なスケール２０とを有するロータリーエンコーダである。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。

図１では、センサユニット１０やスケール２０に形成されている格子の表示を省略している。センサユニット１０から光は、破線で示され、スケール２０の計測領域に照射される。スケール２０の計測領域におけるスケール２０の移動方向は、図１のＸ方向である。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１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。また、本実施形態ではスケール２０は反射型スケールであるが、透過型スケールであっても良い。

図１のＸ軸側から見た、光学式エンコーダの断面構造を図２に示す。センサユニット１０の平面図を図３に示す。センサユニット１０は、発散光を放出するＬＥＤにより構成された光源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。

光源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光透過部と遮光部のパターンにより透過型回折格子として形成された第１格子パターンとしての光源格子パターン１４が設けられている。また、スケール２０と受光素子アレイ１２との間で、スケール２０から受光素子アレイ１２に向かう光路中には、第３格子パターンとしてのインデックス格子パターン１５が設けられている。インデックス格子パターン１５も、位置検出方向に交互に配列された光透過部と遮光部のパターンにより透過型回折格子として形成されている。

光源格子パターン１４とインデックス格子パターン１５はそれぞれ、カバーガラス１６の一方の面上に遮光部となるクロム膜を形成することで設けられる。光源格子パターン１４とインデックス格子パターン１５が設けられたカバーガラス１６は、透光性樹脂１７によって光源１１および受光ＩＣ１３が実装された基板１８に対して接着される。これにより、カバーガラス１６と光源１１、受光ＩＣ１３は光学的に一体化される。透光性樹脂１７としてはＵＶ硬化樹脂や熱硬化樹脂を採用しうるが、透光性を有しておれば、この限りではない。センサユニット１０にはテレセントリックレンズなど、大型の光学部品は含まれておらず、小型かつ軽量である。

光源格子パターン１４は第１周期Ｐ１を有し、スケールパターン２１は第２周期Ｐ２を有し、インデックス格子パターン１５は第２周期と僅かに異なる第３周期Ｐ３を有する。

光源１１としてのＬＥＤから出射された発散光束は、光源格子パターン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。光源格子パターン１４から出射された発散光束は、スケールパターン２１に入射する。なお、ＬＥＤと光源格子パターン１４との組み合わせによって２次点光源を形成しているが、電流狭窄型ＬＥＤや半導体レーザ等を実効的な点光源としてこれらの代わりに配置してもよい。

受光素子アレイ１２は、スケール２０に設けられた第２格子パターンとしてのスケールパターン２１で反射され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）に配列されて構成されている。図４に、受光素子アレイの概略図を示す。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、例えば６４μｍである。３２個の受光素子は、Ａ（＋）相、Ｂ（＋）相、Ａ（−）相およびＢ（−）相の順序で循環的に割り当てられており、これら４つの相の受光素子が１つの集合体（１群）として、その集合体が周期的に８つ設けられている。同相の８つの受光素子は互いに電気的に接続されており、出力（電流）が互いに足し合わされて後段に相ごとに設けられたＩＶ変換アンプ（電気回路）に入力される。同じ相に属する受光素子のうち、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（第４の周期）Ｐ４は２５６（＝６４×４）μｍである。すなわち、受光素子の集合体の幅は２５６μｍである。

Ａ（＋）相とＡ（−）相は受光ＩＣ１３に含まれる後段の差分回路（電気回路）により合成され、Ａ相信号が生成される。同様に、Ｂ（＋）相とＢ（−）相は受光ＩＣ１３に含まれる不図示の後段の差分回路により合成され、Ｂ相信号が生成される。最終的に、受光ＩＣ１３は、位相がおおよそ９０°異なるＡ相およびＢ相の波形信号（インクリメンタル信号）を出力する。

図５に、エンコーダの光路の展開図を示す。図５ではスケールパターン２１における反射を透過のように展開して示している。光源格子パターン１４からスケールパターン２１までの距離Ｌ１は、スケールパターン２１からインデックス格子パターン１５までの距離Ｌ２と等しいか、等しいとみなせる範囲内に設定される。なお、距離Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は実効光路長であり、物理的な距離を屈折率で除した値である。カバーガラス１６や透光性樹脂１７は１よりも大きい屈折率を有するため、実効光路長は物理的な距離（間隔）よりも小さくなる。

図６に、スケール２０上に形成されたスケールパターン２１の一部分を示す。スケールパターン２１は位相格子パターンである。図６において、グレーの領域が凹部、白い領域が凸部を表し、段差によって生じる位相差がおおよそ半波長となるように設計されている。スケール２０の素材はガラスであり、表面に反射膜が成膜されている。読み取り中心半径ｒ０を中心とし、外周方向に幅Ｗ０／２の領域には領域Ａ１を備え、内周方向に幅Ｗ０／２の領域には領域Ａ２を備える。スケール２０はロータリースケールであるため、距離で表したスケールの周期は、半径によって変化する。スケールの格子の数をＮとすると、読み取り中心半径とスケールの設計周期Ｐ２は以下の式で対応づけられる。
２πｒ_０＝ＮＰ_２・・・（１）

一方、角度で表したスケールの周期Ｔｐと、距離で表したスケールの周期Ｐ２には、以下の関係がある。

領域Ａ１のパターンは、凹部の幅がＴｐ／３と２Ｔｐ／３のパターンが径方向に繰り返し配置されている。また、位置検出方向に隣接するパターン同士で、凹部の幅が入れ替わっている。一方、領域Ａ２の凹部については幅がＴｐ／２のパターンが位置検出方向にＴｐ／６だけずらされて、径方向に繰り返し配置されている。また、位置検出方向に隣接するパターン同士で、ずれの方向が反対となっている。

なお、領域Ａ１および領域Ａ２のいずれのパターンについても径方向の格子周期は、径方向への±１次回折光が受光素子アレイ１２にほとんど入射しないような周期に設計されている。これにより、信号に高調波のノイズ成分が混入することを防いでいる。領域Ａ１およびＡ２を図６に示すパターンにすることで、アライメント許容値を低下させる３次回折光の発生を抑えることができる。また、パターンに製造誤差が生じても、インクリ信号の歪みの原因となる０次回折光が発生することを抑えることができる。

半径がｒ０＋ｗ０／２より大きい領域Ｂには、千鳥格子状のパターンが設けられている。位置検出方向に隣接するパターン同士で、凹部の位置が径方向に半周期ずれるように配置されている。また、凹部の幅はそれぞれＴｐ／３となるように設計されている。同様に、半径がｒ０−ｗ０／２より小さい領域Ｃにも、千鳥格子状のパターンが設けられている。領域Ｃについても、位置検出方向に隣接するパターン同士で、凹部の位置が径方向に半周期ずれるように配置されている。また、凹部の幅はそれぞれＴｐ／３となるように設計されている。

領域Ｂおよび領域Ｃのいずれのパターンについても径方向の格子周期は、径方向への±１次回折光が受光素子アレイ１２に入射するような周期に設計されている。領域Ｂおよび領域Ｃをこのような千鳥格子状のパターンとすることで、受光素子アレイ１２へより多くの光を集光し、光の利用効率を高めることができる。

スケールパターン２１の位置検出方向への＋１次回折光と−１次回折光は、インデックス格子パターン１５の入射面上で干渉し、周期Ｐ２の干渉縞が形成される。この干渉縞の周期Ｐ２に対して、インデックス格子パターン１５の周期Ｐ３は異なっているため、インデックス格子パターン１５の射出面上にはモアレ縞（第１モアレ縞）が形成される。図７に、インデックス格子パターン１５の射出面上のモアレ縞（光強度分布）を示す。当該光強度分布は、粗い空間周期Ｐｍを有するモアレ縞にインデックス格子パターン１５の影が重畳された分布となる。モアレ縞の空間周期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。

インデックス格子パターン１５の透過光はインデックス格子パターン１５から受光素子アレイ１２までの空間を伝搬して、受光素子アレイ１２の受光面上にモアレ縞（第２モアレ縞）を形成し、受光素子アレイ１２が受光する。第２モアレ縞の光強度分布は、粗い空間周期Ｐｍ´を有するモアレ縞にインデックス格子パターン１５の影が重畳された分布となる。光源１１は発散光源であるため、モアレ縞の周期Ｐｍ´はモアレ縞の周期ＰｍよりもＭ３倍だけ拡大される。ここで、像倍率Ｍ３は以下の式で表される。

したがって、受光素子アレイ１２の受光面上に形成される、モアレ縞の周期Ｐｍ´とインデックス格子パターン１５の影の周期Ｐ３´は以下のようになる。

受光素子アレイ１２上のモアレ縞の周期Ｐｍ´と、受光素子の集合体の幅（周期）Ｐ４が一致するとき、受光素子アレイ１２から出力される信号の振幅はおおよそ最大となる。

一方、受光素子アレイ１２上に投影される周期Ｐ３´のインデックス格子パターン１５の影は高周波成分となり、出力信号の波形を歪ませたり、振幅を低下させたりする。

また、製造誤差によりカバーガラス１６に位置ずれが生じると、受光素子アレイ１２に対する光源格子パターン１４やインデックス格子パターン１５の位置が変化する。この結果、受光素子アレイ１２上に投影されるインデックス格子パターン１５の影も移動するが、Ａ（＋）相、Ｂ（＋）相、Ａ（−）相、Ｂ（−）相のいずれにより多くの影が投影されるかによって、それぞれの受光素子の出力に影響を及ぼす。このため、製造される複数のエンコーダにおいて、カバーガラス１６の位置にバラツキが生じると、信号波形に大きな個体差をもたらしうる。

［第１実施形態］
そこで、本実施形態では、インデックス格子パターン１５の光回折作用を利用することにより、受光素子アレイ１２上に投影されるインデックス格子パターン１５の影を平滑化する。

光源１１の波長をλとすると、インデックス格子パターン１５による１次回折光の回折角θは、インデックス格子パターン１５の周期Ｐ３を用いて以下の式で表される。

インデックス格子パターン１５によって光が回折されるため、インデックス格子パターン１５から受光素子アレイ１２までの空間を伝搬することで、光束の広がりが生じる。インデックス格子パターン１５の＋１次回折光と−１次回折光の光束広がりｄ３は、インデックス格子パターン１５から受光素子アレイ１２までの距離Ｌ３を用いて、以下の式で表される。光束広がりｄ３は距離Ｌ３に比例する。
ｄ_３＝２Ｌ_３ｔａｎθ・・・（８）

図８は、受光素子アレイ１２上に投影されるインデックス格子パターンの影の周期Ｐ３´に対する、光束広がりｄ３の比率が変化したときに、受光素子アレイ１２上の第２モアレ縞がどのように変化するかを模式的に示した図である。

インデックス格子パターン１５の射出面と受光素子アレイ１２の受光面が一致するとき（ｄ３／Ｐ３´＝０．０）、受光素子アレイ１２上の第２モアレ縞には、インデックス格子パターン１５の影による高コントラストの高周波成分が含まれる。

インデックス格子パターン１５から受光素子アレイ１２の受光面までの距離Ｌ３が大きくなり、ｄ３／Ｐ３´＝０．５とする。この場合、受光素子アレイ１２上の第２モアレ縞に含まれる高周波成分（インデックス格子パターン１５の影）はやや平滑化され、高周波成分のコントラストは低下する。結果として、信号波形の歪みや個体差が小さくなる。

さらに、距離Ｌ３が大きくなり、ｄ３／Ｐ３´＝１．０となると、インデックス格子パターン１５の影の中心を±１次光が照明することで、影の光強度分布が最大限に平滑化される。このため、受光素子アレイ１２上の第２モアレ縞に含まれる高周波成分のコントラストは大幅に低減され、信号波形の歪みや個体差の発生が抑えられる。

さらに、距離Ｌ３が大きくなり、ｄ３／Ｐ３´＝１．５となると、ｄ３／Ｐ３´＝１．０のときと比較すると、第２モアレ縞に含まれる高周波成分のコントラストがやや大きくなるが、ｄ３／Ｐ３´＝０．０のときと比べ、高周波成分はやや平滑化されている。

さらに、距離Ｌ３が大きくなり、ｄ３／Ｐ３´＝２．０となると、インデックス格子パターン１５の透過部（明部）の中心を±１次光が照明することで、明部では光を強め合う。一方で、影の部分は±１次光で照明されず、暗部は暗いままとなる。このため、受光素子アレイ１２上にインデックス格子パターン１５の影が高いコントラストで投影される。結果として、信号波形の歪みや個体差の発生を招くことになる。

受光素子アレイ１２上に投影されるインデックス格子パターン１５の影の周期Ｐ３´に対する、光束広がりｄ３の比率が変化した場合について説明する。図９に、この場合に、カバーガラス１６の位置ずれによる受光素子アレイからの出力の振幅のバラツキ（個体差）が、どれだけ生じるかを、計算した結果の一例を示す。図９の横軸は、光束広がりｄ３／インデックス格子パターン１５の影の周期Ｐ３´を表し、縦軸は、受光素子アレイからの出力の振幅のバラツキを表す。

インデックス格子パターンの射出面に形成される第１モアレ縞を受光素子アレイ１２で検出する場合（ｄ３／Ｐ３´＝０．０のとき）、約１５％と、大きな振幅のバラツキが発生することが分かる。一方、光束の広がりｄ３が、受光素子アレイ１２の受光面に投影される第３格子パターンの影の周期Ｐ３´に対して、０．１５以上１．８５以下、または、２．１５以上の比率とすることで、振幅のバラツキをおおむね１０％以下に低減できることが分かる。

さらに好適には、光束の広がりｄ３が、受光素子アレイ１２の受光面に投影される第３格子パターンの影の周期Ｐ３´に対して、０．２５以上１．７５以下、または、２．２５以上の比率とすることで、振幅の個体差を概ね５％以下に低減できることが分かる。このように、受光素子アレイ１２に投影されるインデックス格子パターン１５の影が第１モアレ縞よりも平滑化された、第２モアレ縞を受光素子アレイ１２が検出することで、振幅のバラツキを低減しうる。

一方で、光束の広がりｄ３が大きくなりすぎると、第２モアレ縞のうちエンコーダによる位置検出に用いるモアレ縞（コントラスト）も平滑化してしまう。例えば、光束の広がりｄ３がモアレ縞の周期Ｐｍ´に一致すると、第２モアレ縞は平滑化されてコントラストがほぼゼロに低下する。このため、第３格子パターンの１次回折光が第３格子パターンから受光素子アレイ１２までの空間を伝搬することによる光束の広がりｄ３は、モアレ縞の周期Ｐｍ´に対して、１／２以下、好ましくは１／４以下の比率であることが好ましい。

次に、受光素子アレイ１２上に投影される光源格子パターン１４の影の影響について説明する。光源格子パターン１４を通過した光は光源格子パターン１４から受光素子アレイ１２までの空間を伝搬して、受光素子アレイ１２上に光源格子パターン１４の影が投影される。光源１１は発散光源であるため、受光素子アレイ１２上に投影される光源格子パターン１４の影の周期Ｐ１´は光源格子パターン１４の周期Ｐ１よりもＭ１倍だけ拡大される。ここで、像倍率Ｍ１は以下の式で表される。

したがって、受光素子アレイ１２上に投影される光源格子パターン１４の影の周期Ｐ１´は以下の式で表される。

受光素子アレイ１２上に投影される光源格子パターン１４の影の周期Ｐ１が、受光素子の集合体の幅Ｐ４に対して０．５倍となると（Ｐ１´／Ｐ４＝０．５のとき）、Ａ相とＢ相の振幅差が大きくなりうる。このとき、例えば、Ａ（＋）相とＡ（−）相の部分が影となると、Ｂ相と比較してＡ相の振幅が低下する。逆に、Ｂ（＋）相とＢ（−）相の部分が影となると、Ａ相と比較してＢ相の振幅が低下する。製造誤差により、受光素子アレイ１２に対して、光源格子パターン１４の位置ずれが生じると、Ａ相とＢ相の振幅に大きな個体差をもたらしうる。

図１０に、受光素子の集合体の幅Ｐ４に対する、受光素子アレイ１２上に投影される光源格子パターン１４の影の周期Ｐ１´の比率が変化したときに、Ａ相とＢ相の振幅がどのようになるのかを、計算した結果の一例を示す。図１０の横軸は、光源格子パターン１４の影の周期Ｐ１´／受光素子の集合体の幅Ｐ４を表し、縦軸は、受光素子アレイのＡ相の振幅とＢ相の振幅を表す。

受光素子アレイ１２上に投影される光源格子パターン１４の影の周期Ｐ１´が、受光素子の集合体の幅Ｐ４に対して０．５倍となる（Ｐ１´／Ｐ４＝０．５）とき、Ａ相とＢ相の振幅差が±７％と大きくなっている。一方、受光素子アレイ１２に投影される光源格子パターン１４の影の周期が、受光素子の集合体の幅Ｐ４に対して、０．４７５以下または０．５２５以上の比率のとき、Ａ相とＢ相の振幅差をおおむね１．５％以下に低減できることが分かる。

なお、本実施形態では受光素子アレイ１２は互いに位相がおおよそ９０°異なる４相の信号を出力している。ただし、このような構成に限定されるものではなく、例えば受光素子アレイは互いに位相がおおよそ１２０°異なる３相（Ａ相、Ｂ相、Ｃ相）の信号を出力しても良い。この場合、受光素子アレイ１２上に投影される光源格子パターン１４の影の周期が、受光素子の集合体の幅（第４の周期）に対して１倍となる（Ｐ１´／Ｐ４＝１）と、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相の振幅差が大きくなりうる。なぜなら、このとき特定の相の受光素子に光源格子パターン１４の影が選択的に投影されうるためである。受光素子アレイ１２に投影される光源格子パターン１４の影の周期を、第４の周期に対してずらして、好ましくは０．９５以下または１．０５以上の比率とする。これにより、光源格子パターン１４の影は３相の受光素子に分散されて投影されるため、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相の振幅差を低減しうる。

実施例１において、光源格子パターン１４の周期は２０μｍ、スケールパターン２１の周期は２０μｍ、インデックス格子パターン１５は２１．９２μｍである。また、カバーガラス１６からスケール２０までの空間距離は１．０ｍｍ、カバーガラス１６の厚みは０．７ｍｍ、光源１１および受光素子アレイ１２からカバーガラス１６までの距離は０．６ｍｍである。実施例１の光学式エンコーダでは、１０μｍ周期のインクリメンタル信号が得られる。

カバーガラス１６および透光性樹脂１７の屈折率は１．５で、実効光路長はそれぞれ、Ｌ０が０．４０ｍｍ、Ｌ１が１．４７ｍｍ、Ｌ２が１．４７ｍｍ、Ｌ３が０．４０ｍｍとなる。したがって、像倍率はＭ１が９．３３、Ｍ３が１．１２となり、受光素子アレイ１２上に投影される光源格子パターン１４の影の周期Ｐ１´は１８７μｍ、インデックス格子パターン１５の影の周期Ｐ３´は２４．６μｍとなる。また、インデックス格子パターン１５の射出面に形成されるモアレ縞の周期Ｐｍは２２９μｍ、受光素子アレイ１２の受光面に形成されるモアレ縞の周期Ｐｍ´は２５６μｍとなる。

光源１１の波長λは６５０ｎｍで、インデックス格子パターン１５による１次回折光が、インデックス格子パターン１５から受光素子アレイ１２までの空間を伝搬することで生じる光束の広がりｄ３は２３．７μｍとなる。このため、受光素子アレイ１２の受光面に投影されるインデックス格子パターン１５の影の周期Ｐ３´に対する光束の広がりｄ３の比率は０．９７となる。したがって、第２モアレ縞に含まれる高周波成分は十分に平滑化される。つまり、インデックス格子パターン１５と受光素子アレイの間の距離は、第２モアレ縞に含まれる高周波成分が平滑化される設定されている。

また、モアレ縞の周期Ｐｍ´に対する光束の広がりｄ３の比率は０．０９となり、位置検出に用いられるモアレ縞が極端に平滑化されることなく、受光素子アレイ１２上には十分に高いコントラストのモアレ縞が形成される。

また、受光素子の集合体の幅Ｐ４に対する受光素子アレイ１２の受光面に投影される光源格子パターン１４の影の周期Ｐ１´の比率は０．７３となり、Ａ相とＢ相の振幅差が小さくなり、製造誤差によらず信号波形が安定する。つまり、受光素子の集合体の半周期に対して光源格子パターン１４の影の周期Ｐ１´をずらした状態で、受光素子アレイ１２が第２モアレ縞を受光する。ここで、光源格子パターン１４の周期は受光素子の集合体の半周期に対してずれるように設定されている。

以上により、本実施例を適用した光学式エンコーダによれば、インクリメンタル信号の歪みや個体差が低減された小型のモアレ検出型光学式エンコーダを提供することができる。

実施例２において、光源格子パターン１４の周期は１０μｍ、スケールパターン２１の周期は１０μｍ、インデックス格子パターン１５は９．５７μｍである。また、カバーガラス１６からスケール２０までの空間距離は０．７ｍｍ、カバーガラス１６の厚みは０．５ｍｍ、光源１１および受光素子アレイ１２からカバーガラス１６までの距離は０．６ｍｍである。実施例２の光学式エンコーダでは、５μｍ周期のインクリメンタル信号が得られる。

カバーガラス１６および透光性樹脂１７の屈折率は１．５で、実効光路長はそれぞれ、Ｌ０が０．４０ｍｍ、Ｌ１が１．０３ｍｍ、Ｌ２が１．０３ｍｍ、Ｌ３が０．４０ｍｍとなる。したがって、像倍率はＭ１が７．１７、Ｍ３が１．１６となり、受光素子アレイ１２上に投影される光源格子パターン１４の影の周期Ｐ１´は７１．７μｍ、インデックス格子パターン１５の影の周期Ｐ３´は１１．１μｍとなる。また、インデックス格子パターン１５の射出面に形成されるモアレ縞の周期Ｐｍは２２０μｍ、受光素子アレイ１２の受光面に形成されるモアレ縞の周期Ｐｍ´は２５６μｍとなる。

光源１１の波長λは６３２ｎｍで、インデックス格子パターン１５による１次回折光が、インデックス格子パターン１５から受光素子アレイ１２までの空間を伝搬することで生じる光束の広がりｄ３は５３．０μｍとなる。このため、受光素子アレイ１２の受光面に投影されるインデックス格子パターン１５の影の周期Ｐ３´に対する光束の広がりｄ３の比率は４．８となる。したがって、第２モアレ縞に含まれる高周波成分は十分に平滑化される。

また、モアレ縞の周期Ｐｍ´に対する光束の広がりｄ３の比率は０．２１となり、位置検出に用いられるモアレ縞が極端に平滑化されることなく、受光素子アレイ１２上には十分に高いコントラストのモアレ縞が形成される。

また、受光素子の集合体の幅Ｐ４に対する受光素子アレイ１２の受光面に投影される光源格子パターン１４の影の周期Ｐ１´の比率は０．２８となり、Ａ相とＢ相の振幅差が小さくなり、製造誤差によらず信号波形が安定する。

以上により、本実施例を適用した光学式エンコーダによれば、インクリメンタル信号の歪みや個体差が低減された小型のモアレ検出型光学式エンコーダを提供することができる。

実施例３において、光源格子パターン１４の周期は４μｍ、スケールパターン２１の周期は４μｍ、インデックス格子パターン１５は４．０７μｍである。また、カバーガラス１６からスケール２０までの空間距離は０．７ｍｍ、カバーガラス１６の厚みは０．５ｍｍ、光源１１および受光素子アレイ１２からカバーガラス１６までの距離は０．５ｍｍである。実施例３の光学式エンコーダでは、２μｍ周期のインクリメンタル信号が得られる。

カバーガラス１６および透光性樹脂１７の屈折率は１．５で、実効光路長はそれぞれ、Ｌ０が０．３３ｍｍ、Ｌ１が１．０３ｍｍ、Ｌ２が１．０３ｍｍ、Ｌ３が０．３３ｍｍとなる。したがって、像倍率はＭ１が８．２０、Ｍ３が１．１４となり、受光素子アレイ１２上に投影される光源格子パターン１４の影の周期Ｐ１´は３２．８μｍ、インデックス格子パターン１５の影の周期Ｐ３´は４．６４μｍとなる。また、インデックス格子パターン１５の射出面に形成されるモアレ縞の周期Ｐｍは２２５μｍ、受光素子アレイ１２の受光面に形成されるモアレ縞の周期Ｐｍ´は２５６μｍとなる。

光源１１の波長λは４６０ｎｍで、インデックス格子パターン１５による１次回折光が、インデックス格子パターン１５から受光素子アレイ１２までの空間を伝搬することで生じる光束の広がりｄ３は７５．８μｍとなる。このため、受光素子アレイ１２の受光面に投影されるインデックス格子パターン１５の影の周期Ｐ３´に対する光束の広がりｄ３の比率は１６．３となり、第２モアレ縞に含まれる高周波成分は十分に平滑化される。また、モアレ縞の周期Ｐｍ´に対する光束の広がりｄ３の比率は０．３０となり、モアレ縞が極端に平滑化されることなく、受光素子アレイ１２上には十分に高いコントラストのモアレ縞が形成される。

また、受光素子の集合体の幅Ｐ４に対する受光素子アレイ１２の受光面に投影される光源格子パターン１４の影の周期Ｐ１´の比率は０．１３となり、Ａ相とＢ相の振幅差が小さくなり、製造誤差によらず信号波形が安定する。

以上により、本実施例を適用した光学式エンコーダによれば、インクリメンタル信号の歪みや個体差が低減された小型のモアレ検出型光学式エンコーダを提供することができる。

受光素子アレイ１２上に投影される格子パターンの影は、受光素子アレイからの出力信号の波形を歪ませうる。具体的には、受光素子アレイ上に形成される格子パターンの影の周期Ｐに対する、隣接する受光素子の中心間距離Ｄの比率がｎ−１／２（ｎは自然数）に近い場合に、リサージュ歪みが大きくなる。

図１１を用いて、この理由を説明する。図１１、１２は、受光素子アレイ上に形成される格子パターンの影の周期Ｐに対して、隣接する受光素子の中心間距離Ｄの比率Ｄ／Ｐが、ｎ−１／２（ｎ＝３）の場合、すなわち２．５の場合の例である。

受光素子に対して格子パターンの影の位相が図１１（ａ）の状態にあるとき、Ａ（＋）相及びＡ（−）相の受光素子には格子パターンの影の山（光が透過することで照度が極大となる部分）が３個、谷（光が遮光されることで照度が極小となる部分）が２個入る。一方、Ｂ（＋）相およびＢ（−）相の受光素子には格子パターンの影の山が２個、谷が３個入る。このため、Ａ（＋）相およびＡ（−）相の受光素子に入射する光の強度（光量）が、Ｂ（＋）相およびＢ（−）相の受光素子に入射する光の強度（光量）よりも大きくなる。したがって、Ａ（＋）相およびＡ（−）相の受光素子で検出される信号波の振幅は、Ｂ（＋）相およびＢ（−）相の受光素子で検出する信号波の振幅より大きくなる。結果として、図１１（ｂ）に示されるように、リサージュは、真円ではなく、０°方向に長軸を有する楕円状に歪む。

一方、受光素子に対して、格子パターンの影の位相が図１２（ａ）の状態にあるとき、Ａ（＋）相およびＡ（−）相の受光素子には格子パターンの影の山が２．５個、谷が２．５個入る。Ｂ（＋）相およびＢ（−）相の受光素子にも格子パターンの影の山が２．５個、谷が２．５個入る。このため、Ａ相とＢ相の振幅は等しくなる。

ただし、Ａ（＋）相およびＡ（−）相の受光素子では影の強度分布の重心が左寄りなのに対して、Ｂ（＋）相およびＢ（−）相の受光素子では影の強度分布の重心が右寄りとなる。これにより、Ａ（＋）相およびＡ（−）相の受光素子が左寄りに、Ｂ（＋）相およびＢ（−）相の受光素子が右寄りに配置されたのと実質的に等価な状態となる。信号波が図１２（ａ）の状態にあるとき、Ａ（＋）相の受光素子が左側にシフトすると、受光される光強度が低下することにより、位相が遅延する。一方、Ｂ（＋）相の受光素子が右側にシフトすると、受光される光強度が低下することにより、位相が先進する。同様に、Ａ（−）相では、受光素子が左側にシフトすると、受光される光強度が増加することにより位相が遅延し、Ｂ（−）相では、受光素子が右側にシフトすると、受光される光強度が増加することにより位相が先進する。

以上をまとめると、Ａ（＋）相およびＡ（−）相の受光素子で検出する信号波の位相は影がない場合よりも遅延し、Ｂ（＋）相およびＢ（−）相の受光素子で検出する信号波の位相は影がない場合よりも先進する。結果として、Ａ相とＢ相の位相差が９０°からずれるため、図１２（ｂ）に示されるように、リサージュ波形は４５°方向に長軸を有する楕円状に歪む。

製造誤差によりカバーガラス１６に位置ずれが生じると、受光素子アレイ１２に対する光源格子パターン１４やインデックス格子パターン１５の位置が変化する。この結果、受光素子アレイ１２上に投影される格子パターンの影も移動するため、カバーガラス１６の位置バラツキが生じると、信号波形に大きな個体差をもたらしうる。また、温度などの環境要因により、受光素子に対して格子パターンの影がシフトすると、信号波形が変化してしまう。

［第２実施形態］
そこで、本実施形態を適用した光学式エンコーダでは、少なくとも光源格子パターン１４とインデックス格子パターン１５のいずれか一方で、以下の条件を満たす。つまり、受光素子アレイ上に形成される格子パターンの影の周期Ｐに対する、隣接する受光素子の中心間距離Ｄの比率Ｄ／Ｐがｎ−１／４以上ｎ＋１／４以下（ｎは任意の自然数）の範囲となる。

図１３、１４は受光素子アレイ上に形成される格子パターンの影の周期に対して、隣接する受光素子の中心間距離の比率が３の場合の例である。これは、ｎ＝３にて、ｎ−１／４以上ｎ＋１／４以下、つまり２．７５以上３．２５以下を満たす。

受光素子に対して、格子パターンの影の位相が図１３（ａ）の状態にあるとき、Ａ（＋）相およびＡ（−）相の受光素子には格子パターンの影の山が３個、谷が３個入り、Ｂ（＋）相およびＢ（−）相の受光素子にも格子パターンの影の山が３個、谷が３個入る。このため、Ａ（＋）相およびＡ（−）相の受光素子に入射する光は、Ｂ（＋）相およびＢ（−）相の受光素子に入射する光と同レベルとなる。したがって、Ａ（＋）相およびＡ（−）相の受光素子で検出する信号波の振幅は、Ｂ（＋）相およびＢ（−）相の受光素子で検出する信号波の振幅と同レベルとなる。結果として、Ａ相信号とＢ相信号の振幅はほぼ等しくなり、図１３（ｂ）に示されるように、リサージュは真円に近づく。

受光素子に対して、格子パターンの影の位相が図１４（ａ）の状態にあるとき、Ａ（＋）相およびＡ（−）相の受光素子には格子パターンの影の山が３個、谷が３個入り、Ｂ（＋）相およびＢ（−）相の受光素子にも格子パターンの影の山が３個、谷が３個入る。このため、Ａ（＋）相およびＡ（−）相の受光素子に入射する光は、Ｂ（＋）相およびＢ（−）相の受光素子に入射する光と同レベルとなる。また、Ａ（＋）相およびＡ（−）相の受光素子では格子パターンの影の強度分布の重心が左寄りとなり、Ｂ（＋）相およびＢ（−）相の受光素子でも格子パターンの影の強度分布の重心も左寄りとなる。したがって、４相の受光素子のいずれにおいても検出する信号波の位相は格子パターンの影がない場合よりも遅延するが、隣接する受光素子間で検出する信号の位相差は９０°付近に保たれる。結果として、Ａ相信号とＢ相信号の振幅はほぼ等しくなるとともに、位相差が略９０°となるため、図１４（ｂ）に示されるように、リサージュは真円に近づく。

［第３実施形態］
本実施形態では、複数の受光素子群の間で、格子パターンの影の位相をシフトさせることにより、リサージュ歪みを低減しうることを、図１５を用いて説明する。

図１５は、受光素子アレイ、格子パターンの影及び信号波形の関係を示す図である。本実施形態の受光素子アレイ１２は、第１から第８まで、８つの受光素子群で構成される。例えば、第２の受光素子群は、第１の受光素子群と第３の受光素子群の間に、互いに隣接して配置されている。各群は、Ａ（＋）相、Ｂ（＋）相、Ａ（−）相およびＢ（−）相の受光素子で構成される。Ｂ（＋）相は、Ａ（＋）相とＡ（−）相の間に、互いに隣接して配置されている。また、Ａ（−）相は、Ｂ（＋）相とＢ（−）相の間に、互いに隣接して配置されている。

図１５には、受光素子アレイ上に形成される格子パターンの影の周期Ｐに対して、隣接する受光素子の中心間距離Ｄの比率Ｄ／Ｐが１．５３１２５（格子パターンの影が４１．７９６μｍに相当）の例を示す。この値はｎ−１／４以上ｎ＋１／４以下（ｎは自然数）を満たさない。

第１の受光素子群に注目すると、Ａ（＋）相およびＡ（−）相の受光素子には格子パターンの影の山が２個、谷が１個入る一方、Ｂ（＋）相およびＢ（−）相の受光素子には格子パターンの影の山が１個、谷が２個入る。このため、Ａ（＋）相およびＡ（−）相の受光素子に入射する光が、Ｂ（＋）相およびＢ（−）相の受光素子に入射する光よりも大きくなる。したがって、Ａ（＋）相およびＡ（−）相の受光素子で検出する信号波の振幅は大きくなり、Ｂ（＋）相およびＢ（−）相の受光素子で検出する信号波の振幅は小さくなる。結果として、もし第１の受光素子群のみでインクリメンタル信号を検出した場合、図１６（ａ）に示されるように、リサージュは０°方向に長軸を有する楕円状に歪む。

受光素子アレイ上に形成される格子パターンの影の周期に対する、隣接する受光素子の中心間距離の比率は完全にｎ−１／２（ｎは自然数）とは一致していない。このため、第１の受光素子群とそれ以外の受光素子群の間で、格子パターンの影の位相がシフトしている。

隣接する受光素子群における格子パターンの影の位相差ΔΦは、以下の式（１１）で表される。ここで、ＰＤは隣接する受光素子群の中心間距離、Ｐ´は受光素子アレイ上の格子パターンの影の周期、ｒｏｕｎｄ（ｘ）は少数点第一位を四捨五入する関数を表す。

格子パターンの影が４１．７９６μｍの場合を例にすると、隣接する受光素子群における格子パターンの影の位相差はπ／４となる。したがって、第ｍ（ｍ＝１〜８）の受光素子群における格子パターンの影の位相は、π／４（ｍ−１）だけシフトする。

この例において、第５の受光素子群では、格子パターンの影の位相はπだけシフトする。つまり、第１群と第５群で、格子パターンの影の位相が反転する。したがって、第５の受光素子群に注目すると、Ａ（＋）相およびＡ（−）相の受光素子には格子パターンの影の山が１個、谷が２個入る一方、Ｂ（＋）相およびＢ（−）相の受光素子には格子パターンの影の山が２個、谷が１個入る。このため、Ａ（＋）相およびＡ（−）相の受光素子に入射する光が、Ｂ（＋）相およびＢ（−）相の受光素子に入射する光よりも小さくなる。したがって、Ａ（＋）相およびＡ（−）相の受光素子で検出する信号波の振幅は小さくなり、Ｂ（＋）相およびＢ（−）相の受光素子で検出する信号波の振幅は大きくなる。結果として、もし第５の受光素子群のみでインクリメンタル信号を検出した場合、図１６（ｅ）に示すように、リサージュは９０°方向に長軸を有する楕円状に歪む。

第１の受光素子群のみで検出した場合のリサージュは横方向に長い楕円形状であり、第５の受光素子群のみで検出した場合のリサージュは縦方向に長い楕円形状となる。したがって、受光ＩＣ１３にて両者の信号を足し合わせると、真円に近いリサージュ信号が得られる。

次に、第３の受光素子群に注目すると、格子パターンの影の位相はπ／２だけシフトする。Ａ（＋）相およびＡ（−）相の受光素子には格子パターンの影の山が１．５個、谷が１．５個入り、Ｂ（＋）相およびＢ（−）相の受光素子にも格子パターンの影の山が１．５個、谷が１．５個入る。しかし、Ａ（＋）相およびＡ（−）相の受光素子では格子パターンの影の強度分布の重心が左寄りなのに対して、Ｂ（＋）相およびＢ（−）相の受光素子では格子パターンの影の強度分布の重心が右寄りとなる。このため、Ａ（＋）相およびＡ（−）相の受光素子の感度中心が左寄りに、Ｂ（＋）相およびＢ（−）相の受光素子の感度中心が右寄りとなる。これは、感度が均一なＡ（＋）相およびＡ（−）相の受光素子が左寄りに、感度が均一なＢ（＋）相およびＢ（−）相の受光素子が右寄りに配置されたのと等価な状態である。したがって、Ａ（＋）相およびＡ（−）相の受光素子で検出する信号波の位相は遅延し、Ｂ（＋）相およびＢ（−）相の受光素子で検出する信号波の位相は先進する。結果として、Ａ相とＢ相の位相差が９０°からずれるため、図１６（ｃ）に示すように、リサージュは４５°方向に長軸を有する楕円状に歪む。

次に、第７の受光素子群に注目すると、格子パターンの影の位相は３π／２だけシフトする。Ａ（＋）相およびＡ（−）相の受光素子には格子パターンの影の山が１．５個、谷が１．５個入り、Ｂ（＋）相およびＢ（−）相の受光素子にも格子パターンの影の山が１．５個、谷が１．５個入る。しかし、Ａ（＋）相およびＡ（−）相の受光素子では影の強度分布の重心が右寄りなのに対して、Ｂ（＋）相およびＢ（−）相の受光素子では影の強度分布の重心が左寄りとなる。このため、Ａ（＋）相およびＡ（−）相の受光素子の感度中心が右寄りに、Ｂ（＋）相およびＢ（−）相の受光素子の感度中心が左寄りとなる。これは、感度が均一なＡ（＋）相およびＡ（−）相の受光素子が右寄りに、感度が均一なＢ（＋）相およびＢ（−）相の受光素子が左寄りに配置されたのと等価な状態である。したがって、Ａ（＋）相およびＡ（−）相の受光素子で検出する信号波の位相は先進し、Ｂ（＋）相およびＢ（−）相の受光素子で検出する信号波の位相は遅延する。結果として、Ａ相とＢ相の位相差が９０°からずれるため、図１６（ｇ）に示すように、リサージュは１３５°方向に長軸を有する楕円状に歪む。

第３の受光素子群のみで検出した場合のリサージュは４５°方向に長軸を有する楕円形状であり、第７の受光素子群のみで検出した場合のリサージュは１３５°方向に長軸を有する楕円形状となる。したがって、受光ＩＣ１３にて両者の信号を足し合わせると、真円に近いリサージュ信号が得られる。

第２の受光素子群に注目すると、格子パターンの影の位相はπ／４だけシフトする。これは、第１の受光素子群と第３の受光素子群の中間である。このため、リサージュは、図１６（ｂ）に示すように、２２．５°方向に長軸を有する楕円形状となる。同様に、第６の受光素子群に注目すると、格子パターンの影の位相は５π／４だけシフトする。これは、第５の受光素子群と第７の受光素子群の中間である。このため、リサージュは、図１６（ｆ）に示すように、１１２．５°方向に長軸を有する楕円形状となる。受光ＩＣ１３にて第２の受光素子群と第６の受光素子群の信号を足し合わせると、真円に近いリサージュ信号が得られる。

第４の受光素子群によるリサージュは、図１６（ｄ）に示すような楕円形状となる。第８の受光素子群によるリサージュは、図１６（ｈ）に示すような楕円形状となる。そのため、受光ＩＣ１３にて第４の受光素子群と第８の受光素子群の信号を足し合わせると、真円に近いリサージュ信号が得られる。

以上により、格子パターンの影の位相が反転している異なる２つの受光素子群（第１と第５、第２と第６、第３と第７、第４と第８の受光素子群）の信号を足し合わせることで、真円に近いリサージュ信号が得られる。

ここで、以下の式（１２）で表される指標Ｉを定義する。ＰＤは隣接する受光素子群の中心間距離、Ｐ´は受光素子アレイ上の格子パターンの影の周期、ｒｏｕｎｄ（ｘ）は少数点以下第一位を四捨五入する関数、Ｎは受光素子群の数を表す。

ここで、指標Ｉは異なる受光素子群の間でどれだけ格子パターンの影の位相が異なっているかを表す。Ｉ＝０の場合、全ての受光素子群の間で、格子パターンの影は同相である。Ｉ＝１の場合、第ｍ群と第（Ｎ／２＋ｍ）群で、格子パターンの影が逆相となる。例えば、Ｉ＝１で受光素子群の数Ｎが８の場合、第１と第５、第２と第６、第３と第７、第４と第８の受光素子群で、格子パターンの影が逆相となる。Ｉ＝２の場合、第ｍ群と第（Ｎ／４＋ｍ）群で、格子パターンの影が逆相となる。例えば、Ｉ＝２で受光素子群の数Ｎが８の場合、第１と第３、第２と第４、第５と第７、第６と第８の受光素子群で、格子の影が逆相となる。

図１７は指標Ｉに対して、リサージュ歪みがどのように変化するか計算した結果を示したグラフである。Ｉ＝０の場合、つまり全ての受光素子群の間で格子パターンの影が同相の場合、大きなリサージュ歪みが発生する。Ｉが整数の場合、異なる受光素子群の間で格子パターンの影が逆相となるため、リサージュ歪みはゼロとなる。Ｉ≧３／４の条件で、複数の受光素子群の出力が足し合わされることにより、受光素子群が１つしかない場合（Ｉ＝０）と比較して、リサージュ歪みは３０％以下まで低減される。本実施形態を適用した光学式エンコーダでは、少なくとも光源格子パターンとインデックス格子パターンのいずれか一方で、Ｉ≧３／４の条件を満たす。

なお、第２、第３本実施形態では受光素子アレイ１２は互いに位相がおおよそ９０°異なる４相の信号を出力している。ただし、このような構成に限定されるものではなく、例えば受光素子アレイは互いに位相がおおよそ１２０°異なる３相（Ａ相、Ｂ相、Ｃ相）の信号を出力しても良い。

実施例４において、光源格子パターン１４の周期は６μｍ、スケールパターン２１の周期は６μｍ、インデックス格子パターン１５の周期は５．８５μｍである。また、カバーガラス１６からスケール２０までの空間距離は１．２ｍｍ、カバーガラス１６の厚みは１．０ｍｍ、光源１１および受光素子アレイ１２からカバーガラス１６までの距離は０．６ｍｍである。実施例４の光学式エンコーダでは、周期３μｍのインクリメンタル信号が得られる。

カバーガラス１６および透光性樹脂１７の屈折率は１．５で、実効光路長はそれぞれ、Ｌ０が０．４０ｍｍ、Ｌ１が１．８７ｍｍ、Ｌ２が１．８７ｍｍ、Ｌ３が０．４０ｍｍとなる。したがって、像倍率はＭ１が１１．３３、Ｍ３が１．１０となり、受光素子アレイ１２上に投影される光源格子パターンの影の周期Ｐ´１は６８．０μｍ、インデックス格子パターンの影の周期Ｐ´３は６．４２μｍとなる。また、インデックス格子パターン１５の射出面に形成される第１モアレ縞の周期Ｐｍは２３３．４μｍ、受光素子アレイ１２の検出面に形成される第２モアレ縞の周期Ｐ´ｍは２５６μｍとなる。

製造誤差などにより、Ｌ１およびＬ２の実効光路長は±０．１５ｍｍの公差、Ｌ０およびＬ３の実効光路長は±０．０３３ｍｍの公差を有する。表１に、その製造誤差の範囲内における、受光素子アレイ上に形成される光源格子パターン１４の影の周期Ｐに対する、隣接する受光素子の中心間距離Ｄの比率Ｄ／Ｐの値を示す。比率は０．８２〜１．０７の範囲内であり、ｎ−１／４以上ｎ＋１／４以下（ｎは自然数）を満たす。

表２に、上記製造誤差の範囲内における、受光素子アレイ上に形成されるインデックス格子パターン１５の影の周期Ｐに対する、隣接する受光素子の中心間距離Ｄの比率Ｄ／Ｐの値を示す。比率は９．８４〜１０．１０であり、ｎ−１／４以上ｎ＋１／４以下（ｎは自然数）を満たす。このように、光源格子パターンとインデックス格子パターンのいずれにおいても、以下の条件を満たす。つまり、受光素子アレイ上に形成される格子パターンの影の周期に対する、隣接する受光素子の中心間距離の比率がｎ−１／４以上ｎ＋１／４以下（ｎは自然数）となるので、製造誤差があってもリサージュの歪みが低減される。

本実施例を適用した光学式エンコーダによれば、インクリメンタル信号の歪みや個体差が低減された小型のモアレ検出型光学式エンコーダを提供することができる。

実施例５において、光源格子パターン１４の周期は１６μｍ、スケールパターン２１の周期は１６μｍ、インデックス格子パターン１５の周期は１７．１８μｍである。また、カバーガラス１６からスケール２０までの空間距離は１．０ｍｍ、カバーガラス１６の厚みは０．７ｍｍ、光源１１および受光素子アレイ１２からカバーガラス１６までの距離は０．５ｍｍである。本実施例の光学式エンコーダでは、周期８μｍのインクリメンタル信号が得られる。

カバーガラス１６および透光性樹脂１７の屈折率は１．５で、実効光路長はそれぞれ、Ｌ０が０．３３ｍｍ、Ｌ１が１．４７ｍｍ、Ｌ２が１．４７ｍｍ、Ｌ３が０．３３ｍｍとなる。したがって、像倍率はＭ１が１０．８、Ｍ３が１．１０となり、受光素子アレイ１２上に投影される光源格子パターンの影の周期Ｐ´１は１７２．８μｍ、インデックス格子パターンの影の周期Ｐ´３は１８．９４μｍとなる。また、インデックス格子パターン１５の射出面に形成される第１モアレ縞の周期Ｐｍは２３２．３μｍ、受光素子アレイ１２の検出面に形成される第２モアレ縞の周期Ｐ´ｍは２５６μｍとなる。

製造誤差などにより、Ｌ１およびＬ２の実効光路長は±０．１５ｍｍの公差、Ｌ０およびＬ３の実効光路長は±０．０６７ｍｍの公差を有する。表３に、その製造誤差の範囲内における、受光素子アレイ上に形成される光源格子パターン１４の影の周期Ｐに対する、隣接する受光素子の中心間距離Ｄの比率Ｄ／Ｐの値を示す。比率は０．２８〜０．４７の範囲内であり、ｎ−１／４以上ｎ＋１／４以下（ｎは自然数）を満たさない。

表４に、上記製造誤差の範囲内における、受光素子アレイ上に形成されるインデックス格子パターン１５の影の周期Ｐに対する、隣接する受光素子の中心間距離Ｄの比率Ｄ／Ｐの値を示す。比率は３．２９〜３．４６であり、ｎ−１／４以上ｎ＋１／４以下（ｎは自然数）を満たさない。このように、光源格子パターンとインデックス格子パターンのいずれにおいても、受光素子アレイ上に形成される格子の影の周期に対する、隣接する受光素子の中心間距離の比率がｎ−１／４以上ｎ＋１／４以下（ｎは自然数）を満たしていない。このため、もし単一の受光素子群のみからインクリメンタル信号を検出した場合、リサージュが歪みうる。

表５に、上記製造誤差の範囲内における、受光素子アレイ上に形成される光源格子パターン１４の影に関する指標Ｉの値を示す。指標Ｉの値は１．０６〜３．８５で、Ｉ≧３／４を満たす。表６に、上記製造誤差の範囲内における、受光素子アレイ上に形成されるインデックス格子パターン１５の影に関する指標Ｉの値を示す。指標Ｉの値は０．８７〜３．８５で、Ｉ≧３／４を満たす。

このように、光源格子パターンとインデックス格子パターンのいずれにおいても、Ｉ≧３／４を満たしているので、異なる受光素子群の間で格子パターンの影の位相がずれることにより、製造誤差があってもリサージュの歪みが低減される。

以上により、本実施例を適用した光学式エンコーダによれば、インクリメンタル信号の歪みや個体差が低減された小型のモアレ検出型光学式エンコーダを提供することができる。

実施例６において、光源格子パターン１４の周期は２０μｍ、スケールパターン２１の周期は２０μｍ、インデックス格子パターン１５の周期は１８．３７μｍである。また、カバーガラス１６からスケール２０までの空間距離は１．０ｍｍ、カバーガラス１６の厚みは０．７ｍｍ、光源１１および受光素子アレイ１２からカバーガラス１６までの距離は０．７ｍｍである。実施例３の光学式エンコーダでは、周期１０μｍのインクリメンタル信号が得られる。

カバーガラス１６および透光性樹脂１７の屈折率は１．５で、実効光路長はそれぞれ、Ｌ０が０．４７ｍｍ、Ｌ１が１．４７ｍｍ、Ｌ２が１．４７ｍｍ、Ｌ３が０．４７ｍｍとなる。したがって、像倍率はＭ１が８．２９、Ｍ３が１．１４となり、受光素子アレイ１２上に投影される光源格子パターンの影の周期Ｐ´１は１６５．７μｍ、インデックス格子パターンの影の周期Ｐ´３は２０．９μｍとなる。また、インデックス格子パターン１５の射出面に形成される第１モアレ縞の周期Ｐｍは２２５．１μｍ、受光素子アレイ１２の検出面に形成される第２モアレ縞の周期Ｐ´ｍは２５６μｍとなる。

製造誤差などにより、Ｌ１およびＬ２の実効光路長は±０．１５ｍｍの公差、Ｌ０およびＬ３の実効光路長は±０．０６７ｍｍの公差を有する。表７に、その製造誤差の範囲内における、受光素子アレイ上に形成される光源格子パターン１４の影の周期に対する、隣接する受光素子の中心間距離の比率の値を示す。比率は０．３２〜０．４６の範囲内であり、ｎ−１／４以上ｎ＋１／４以下（ｎは自然数）を満たさない。このため、もし単一の受光素子群のみからインクリメンタル信号を検出した場合、リサージュが歪みうる。

表８に、上記製造誤差の範囲内における、受光素子アレイ上に形成されるインデックス格子パターン１５の影の周期Ｐに対する、隣接する受光素子の中心間距離Ｄの比率Ｄ／Ｐの値を示す。比率は２．９８〜３．１４であり、ｎ−１／４以上ｎ＋１／４以下（ｎは自然数）を満たす。このため、インデックス格子パターンの影によって発生するリサージュ歪みは低減される。

表９に、上記製造誤差の範囲内における、受光素子アレイ上に形成される光源格子パターン１４の影に関する指標Ｉの値を示す。指標Ｉの値は１．２４〜３．９３で、Ｉ≧３／４を満たす。このように、光源格子パターンについて、Ｉ≧３／４を満たしているので、異なる受光素子群の間で格子パターンの影の位相がずれることにより、製造誤差があってもリサージュの歪みが低減される。

以上により、本実施例を適用した光学式エンコーダによれば、インクリメンタル信号の歪みや個体差が低減された小型のモアレ検出型光学式エンコーダを提供することができる。

上記実施形態ではロータリーエンコーダを説明したが、これに限らず、リニアエンコーダにも適用することができる。エンコーダは、物体の回転角度や位置を検出するために使用されうる。エンコーダによって検出された検出結果としての位置や角度（変位）は、モータなどのアクチュータ（駆動部）を制御するコントローラ（制御部）によってその変位の制御に用いられる。また、本実施形態のエンコーダを適用した制御装置としては、ロボットの関節を駆動するアクチュータと、そのアクチュータの回転角度を計測するエンコーダと、を備えるロボットがある。また、モータと、モータの回転軸の回転角を計測するエンコーダと、有するガルバノスキャナがある。また、ステージを駆動するリニアモータと、ステージの位置を計測するエンコーダと、を備えるステージ装置がある。

Claims (17)

1. 光源と、
   前記光源からの光が入射する、第１周期の第１格子パターンと、
   前記第１の格子パターンからの光が入射する、第２周期の第２格子パターンと、
   前記第２の格子パターンからの光が入射する、前記第２周期とは異なる第３周期の第３格子パターンと、
   前記第３格子パターンからの光を受光する受光素子と、
   を有する光学式エンコーダにおいて、
   前記第２周期と前記第３周期が異なることにより前記第３格子パターンの射出面に、前記第３格子パターンの影を含む第１モアレ縞が形成され、
   前記第３格子パターンと前記受光素子を離して配置することにより前記第１モアレ縞に対して前記第３格子パターンの影が平滑化された第２モアレ縞を、前記受光素子が受光する、ことを特徴とする光学式エンコーダ。
2. 前記第１モアレ縞に対して前記第３格子パターンの影が平滑化された第２モアレ縞を前記受光素子が受光するように、前記第３格子パターンと前記受光素子の間の距離が設定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. 前記第３格子パターンからの１次回折光が前記第３格子パターンから前記受光素子までの空間を伝搬することによる光束の広がりｄは、前記受光素子に投影される前記第３格子パターンの影の周期Ｐに対して、０．１５以上１．８５以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学式エンコーダ。
4. 前記光束の広がりｄは前記周期Ｐに対して０．２５以上１．７５以下であることを特徴とする請求項３に記載の光学式エンコーダ。
5. 前記第３格子パターンからの１次回折光が前記第３格子パターンから前記受光素子までの空間を伝搬することによる光束の広がりｄは、前記受光素子に投影される前記第３格子パターンの影の周期Ｐに対して、２．１５以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学式エンコーダ。
6. 前記光束の広がりｄは前記周期Ｐに対して２．２５以上である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. 前記第３格子パターンからの１次回折光が前記第３格子パターンから前記受光素子までの空間を伝搬することによる光束の広がりｄは、前記第２モアレ縞のうち位置検出に用いるモアレ縞の周期に対して、１／２以下であることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の光学式エンコーダ。
8. 前記光束の広がりｄは前記モアレ縞の周期に対して１／４以下であることを特徴とする請求項７に記載の光学式エンコーダ。
9. 光源と、
   前記光源からの光が入射する、第１周期の第１格子パターンと、
   前記第１の格子パターンからの光が入射する、第２周期の第２格子パターンと、
   前記第２の格子パターンからの光が入射する、前記第２周期とは異なる第３周期の第３格子パターンと、
   前記第３格子パターンからの光を受光する受光素子アレイと、
   を有する光学式エンコーダにおいて、
   前記受光素子アレイは、互いに位相が異なる信号を出力する複数の受光素子を１群として周期的に配列された受光素子アレイであって、
   前記受光素子アレイの受光面における前記第１格子パターンの影の光強度分布の周期が、前記受光素子の１群の半周期又は周期に対してずれた状態で、前記受光素子アレイが前記第３格子パターンからのモアレ縞を受光する、ことを特徴とする光学式エンコーダ。
10. 前記受光素子アレイの受光面における前記第１格子パターンの影の光強度分布の周期が、前記受光素子の１群の半周期又は周期に対してずれるように、前記第１格子パターンの周期が設定されていることを特徴とする請求項９に記載の光学式エンコーダ。
11. 前記受光素子アレイは、互いに位相が９０°異なる４相の信号を出力する４つの受光素子を１群として周期的に配列され、
    前記受光素子アレイの受光面における前記第１格子パターンの影の光強度分布の周期が、前記受光素子の１群の周期に対して０．４７５以下または０．５２５以上であることを特徴とする請求項９又は１０に記載の光学式エンコーダ。
12. 前記受光素子アレイは、互いに位相が１２０°異なる３相の信号を出力する３つの受光素子を１群として周期的に配列され、
    前記受光素子アレイの受光面における前記第１格子パターンの影の光強度分布の周期が、前記受光素子の１群の周期に対して０．９５以下または１．０５以上であることを特徴とする請求項９又は１０に記載の光学式エンコーダ。
13. 光源と、
    前記光源からの光が入射する、第１周期の第１格子パターンと、
    前記第１の格子パターンからの光が入射する、第２周期の第２格子パターンと、
    前記第２の格子パターンからの光が入射する、前記第２周期とは異なる第３周期の第３格子パターンと、
    前記第３格子パターンからの光を受光する受光素子アレイと、
    を有する光学式エンコーダにおいて、
    前記受光素子アレイは、互いに位相が異なる信号を出力する複数の受光素子を含み、
    前記受光素子アレイの受光面に、前記第１格子パターンの影と前記第３格子パターンの影が投影され、
    前記複数の受光素子のうち隣接する受光素子の中心間距離をＤ、前記第１格子パターンの影の周期及び前記第３格子パターンの影の周期の少なくとも一方をＰ、ｎを自然数とし、Ｄ／Ｐがｎ−１／４以上ｎ＋１／４以下である、ことを特徴とする光学式エンコーダ。
14. 光源と、
    前記光源からの光が入射する、第１周期の第１格子パターンと、
    前記第１の格子パターンからの光が入射する、第２周期の第２格子パターンと、
    前記第２の格子パターンからの光が入射する、前記第２周期とは異なる第３周期の第３格子パターンと、
    前記第３格子パターンからの光を受光する受光素子アレイと、
    を有する光学式エンコーダにおいて、
    前記受光素子アレイは、互いに位相が異なる信号を出力する複数の受光素子を１群として複数の群が周期的に配列された受光素子アレイであって、第１受光素子群と第２受光素子群を有し、
    前記第１受光素子群からの信号と前記第２受光素子群からの信号が足し合わせて出力され、
    前記第１受光素子群と前記第２受光素子群において、前記第１格子パターンの影及び前記第３格子パターンの影の少なくとも一方が互いに異なる位相で投影される、ことを特徴とする光学式エンコーダ。
15. 前記第１受光素子群と前記第２受光素子群において、前記第１格子パターンの影及び前記第３格子パターンの影の少なくとも一方が互いに位相が反転して投影される、ことを特徴とする請求項１４に記載の光学式エンコーダ。
16. 前記受光素子アレイ上の前記第１格子パターンの影の周期又は前記第３格子パターンの影の周期をＰ´、互いに隣接する前記第１受光素子群と前記第２受光素子群の中心間距離をＰＤ、ｒｏｕｎｄ（ｘ）を少数点以下第一位を四捨五入する関数、受光素子群の数をＮとし、以下の式を満たす
    

    

    
    ことを特徴とする請求項１４に記載の光学式エンコーダ。
17. 請求項１乃至１６の何れか１項に記載の光学式エンコーダと、
    前記光学式エンコーダによる検出結果に基づいて物体の変位を制御する制御部と、を有することを特徴とする制御装置。

Images