JP2022108849A - 光学式エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数を減らしつつ、構成部材の互いの配置位置が変動し離間距離に偏差が生じたとしても、光源の設計における制約を考慮することなく信号の検出精度を維持することができる光学式エンコーダの提供。【解決手段】光学式エンコーダ１は、測長方向に沿って所定の周期で形成されるスケール格子２０を有する板状のスケール２と、測長方向に沿ってスケール２と相対移動可能に設けられる検出ヘッド３と、を備える。検出ヘッド３は、光源４と、光源４とスケール２との間に配置され、スケール２で反射した光を再びスケール２に向かって反射する格子板５と、格子板５で反射した後にスケール２で反射した光を受光する受光手段６と、を備える。格子板５は、長手方向に沿って所定の周期で形成されスケール格子２０と対向して設けられる複数の格子５０を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、光学式エンコーダに関する。

従来、測長方向に沿って所定の周期で形成されるスケール格子を有する板状のスケールと、測長方向に沿ってスケールと相対移動可能に設けられる検出ヘッドと、を備える光学式エンコーダが知られている。検出ヘッドは、スケールに光を照射する光源と、スケールを介した光を受光する受光手段と、を備える。
このような光学式エンコーダでは、光源から照射された光は、スケールにおける格子状のパターンを介して複数の回折光となる。複数の回折光は、格子状のパターンと同じ周期の干渉縞を生成する。受光手段は、この干渉縞を受光し、検出ヘッドは、受光手段が受光した干渉縞から信号を検出する。光学式エンコーダは、検出ヘッドによる検出結果（信号）からスケールと検出ヘッドとの相対移動量を算出する。

光学式エンコーダでは、例えば３格子原理を応用したものがある。具体的には、光学式エンコーダは、スケールに光を照射する光源と、第１格子に相当するスケール格子を有するスケールと、第２格子を有する格子板と、複数の受光素子（第３格子）を有する受光手段と、を備える。スケールには、光源から光が照射される。格子板が有する第２格子は、所定の周期で形成される。格子板は、スケールと複数の受光素子の間に配置されスケールを介した光を複数の受光素子に向かって照射する。第３格子である複数の受光素子は、所定の周期で配置され、格子板を介した光によって生じた干渉縞をフィルタリングする。光学式エンコーダは、複数の受光素子にてフィルタリングされた干渉縞に基づいてスケールと検出ヘッドとの相対移動量を算出する。
ここで、前述のような３格子原理を用いた光学式エンコーダでは、以下のような問題が生じることがある。

図７は、従来の光学式エンコーダを示す図である。具体的には、図７（Ａ）は、第１格子と第２格子と第３格子とが等間隔で配置されている光学式エンコーダ１００Ａを示す図である。また、図７（Ｂ）は、第１格子と第２格子と第３格子とがそれぞれ異なる間隔で配置されている光学式エンコーダ１００Ｂを示す図である。

図７に示すように、光学式エンコーダ１００Ａ，１００Ｂは、第１格子にあたるスケール格子を有する板状のスケール２００Ａ，２００Ｂと、スケール２００Ａ，２００Ｂに光を照射する光源３００と、第２格子を有する格子板４００と、第３格子にあたる複数の検出素子を有する受光手段５００と、を備える。光源３００は、スケール２００Ａ，２００Ｂと格子板４００との間に配置される。格子板４００は、スケール２００Ａ，２００Ｂと受光手段５００との間に配置される。受光手段５００は、スケール２００Ａ，２００Ｂとは格子板４００を挟んで反対側に配置される。

光学式エンコーダ１００Ａ，１００Ｂにおいて、スケール２００Ａ，２００Ｂは、光源３００からの光を格子板４００に反射する。格子板４００は、スケール２００Ａ，２００Ｂを反射した光を受光手段５００に向かって通過させる。受光手段５００は、格子板４００を通過した光を受光する。なお、図７では、説明の都合上、光源３００から照射され受光手段５００に受光されるまでの光の光路を実線矢印で表す。また、測定方向をＸ方向とし、Ｘ方向とスケール２００Ａ，２００Ｂや格子板４００の板面上で直交する方向（スケール２００Ａ，２００Ｂや格子板４００の幅方向）をＹ方向とし、Ｘ方向とＹ方向と直交する方向をＺ方向として説明する。

図７（Ａ）に示すように、光学式エンコーダ１００Ａは、スケール２００Ａと格子板４００と受光手段５００とをＺ方向にそれぞれ距離Ｄ１の間隔を有して配置している。すなわち、光学式エンコーダ１００Ａは、スケール２００Ａと格子板４００と受光手段５００とをＺ方向に等間隔に配置している。一方、図７（Ｂ）に示すように、光学式エンコーダ１００Ｂは、スケール２００Ｂと格子板４００とについてＺ方向に距離Ｄ１および距離Ｄ２の間隔を有して配置している。また、光学式エンコーダ１００Ｂは、格子板４００と受光手段５００とについてＺ方向に距離Ｄ１の間隔を有して配置している。すなわち、光学式エンコーダ１００Ｂは、スケール２００Ｂと格子板４００との間隔と、格子板４００と受光手段５００との間隔とについて、距離Ｄ２だけ異なる間隔を有して配置している。

図７（Ａ）では、光源３００から照射された光は、スケール２００Ａで複数の光に分割されて反射し、格子板４００を通過して受光手段５００にて合成される。これに対し、図７（Ｂ）では、光源３００から照射された光は、スケール２００Ｂで複数に分割されて反射し、格子板４００を通過して受光手段５００にてＸ方向に距離Ｄ３だけ離間（オフセット）して照射される。分割された複数の光がオフセットされて受光手段５００に照射されると、その複数の光のオーバーラップ量は、オフセットされないときと比較して減少する。すなわち、光学式エンコーダ１００Ｂでは、分割された複数の光のオーバーラップ量は光学式エンコーダ１００Ａよりも減少する。光のオーバーラップ量が減少すると、干渉縞が生成されない場合や信号を取得できない場合がある。

したがって、スケール格子を第１格子とする従来の光学式エンコーダは、スケールや格子板、受光手段等との配置位置が変動しＺ方向における互いの離間距離に偏差が生じると、干渉縞などの信号の検出精度を維持することできないことがあるという問題がある。

これに対し、特許文献１に記載の光電子スケール読取り装置は、光源の設計について工夫することで、問題解決を図っている。具体的には、光源の大きさは、所定の大きさに制限されている。そして、光源は、分光器グレーティング（格子を有する格子板）に対して小角度の範囲を定めるように配置される。光源の大きさは、良好で容易に検出される干渉縞を生ずる領域や、分光器グレーティングの格子のピッチ、光源とスケールとの離間距離、スケールと分光器グレーティングとの離間距離などに基づいて設計される。
光電子スケール読取り装置は、光電子スケール読取り装置における各構成部材等が有するパラメータに基づいて光源を設計することで、信号の検出精度の維持を図っている。

また、特許文献２に記載の位置測定システムは、反射型基準尺（スケール）に２回光を照射させることで信号の検出精度の維持を図っている。具体的には、光ファイバー（光源）は、反射型基準尺に光を照射する。反射型基準尺に照射された光は、反射型基準尺で反射する際、複数の光に分割される。分割された光は、走査格子（第２格子）に照射される。走査格子を通過した光は、偏向プリズムにより再び走査格子方向へ反射される。偏向プリズムにて反射した光は、走査格子に照射される前に、走査格子と偏向プリズムとの間に配置される１／４波長板に照射される。１／４波長板と走査格子を介した光は、再び反射型基準尺に照射され、光検出器（受光手段）に向かって反射される。このような構成によれば、信号回折光の光路は略対称光路となるため、構成部材の互いの配置位置が変動し離間距離に偏差が生じたとしても干渉縞が生じるため、信号の検出精度を維持することができる。

特許第４７５０９９８号公報 特開２００６－１３３２２２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の光電子スケール読取り装置は、各構成部材等が有するパラメータに基づいて光源を設計する必要があり、光源に制約が生じるという問題がある。また、特許文献２に記載の位置測定システムは、所望の信号として例えば４相信号を検出する際、２つの光の偏光状態を直交させるための波長板が必要となる。また、この波長板を介した光から干渉信号を取り出すためには、信号の数だけ偏光フィルターが必要となる。したがって、部品点数が多くなるという問題がある。

本発明の目的は、部品点数を減らしつつ、構成部材の互いの配置位置が変動し離間距離に偏差が生じたとしても、光源の設計における制約を考慮することなく信号の検出精度を維持することができる光学式エンコーダを提供することである。

本発明の光学式エンコーダは、測長方向に沿って所定の周期で形成されるスケール格子を有する板状のスケールと、測長方向に沿ってスケールと相対移動可能に設けられる検出ヘッドと、を備える。検出ヘッドは、スケールに向かって光を照射する光源と、光源とスケールとの間に配置されるとともにスケールの板面と平行に配置され、スケールで反射した光を再びスケールに向かって反射する格子板と、格子板で反射した後にスケールで反射した光を受光する受光手段と、を備える。格子板は、長手方向に沿って所定の周期で形成されスケール格子と対向して設けられる複数の格子を備える。複数の格子は、スケール格子の所定の周期がｇであるとき、ｇ／２の周期で長手方向に沿って形成される。格子板は、スケールの板面と直交する直交方向を軸として回転させて測長方向に対して角度を有して設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、光学式エンコーダは、複数の格子により、波長板や偏光フィルターを備えることなく所望の信号を検出することができる。また、スケールを反射した光を格子板にて再びスケールに反射するため、スケール格子を第１格子および第３格子とし、複数の格子を第２格子として扱うことができる。したがって、光学式エンコーダは、部品点数を減らしつつ、構成部材の互いの配置位置が変動し離間距離に偏差が生じたとしても、光源の設計における制約を考慮することなく信号の検出精度を維持することができる。

本発明の光学式エンコーダは、測長方向に沿って所定の周期で形成されるスケール格子を有する板状のスケールと、測長方向に沿ってスケールと相対移動可能に設けられる検出ヘッドと、を備える。検出ヘッドは、スケールに向かって光を照射する光源と、光源とスケールとの間に配置されるとともにスケールの板面と平行に配置され、スケールで反射した光を再びスケールに向かって反射する格子板と、格子板で反射した後にスケールで反射した光を受光する受光手段と、を備える。格子板は、長手方向に沿って所定の周期で形成されスケール格子と対向して設けられる複数の格子を備える。複数の格子は、スケール格子の所定の周期がｇであるとき、ｇ／２の周期で長手方向に沿って形成される。複数の格子を１個の格子列とし、受光手段に生成される干渉縞の位相をｎ相とし、定数ｎを１以上の整数とし、格子板の板面において長手方向と直交する直交方向に沿って並設されるｎ個の格子列を１個の格子群とする。このとき、ｎ個の格子列は、直交方向に沿って並設される際、隣接する格子列に対して互いに長手方向に沿ってｇ／（４ｎ）ずつずらして配置される。格子群は、直交方向に沿って複数並設されていることを特徴とする。

本発明によれば、光学式エンコーダは、スケールで反射した光を再びスケールに向かって反射する格子板と、スケール格子の所定の周期ｇに基づいて設計される複数の格子からなる格子列と、格子列を長手方向に沿ってｇ／（４ｎ）ずつずらして配置される複数の格子群と、を備えることで、構成部材の互いの配置位置が変動することにより生じる光の進行方向の変化を抑制することができる。
また、このような構成によれば、光学式エンコーダは、所望の干渉縞の位相に応じて格子板を容易に設計することができる。

本発明の光学式エンコーダは、測長方向に沿って所定の周期で形成されるスケール格子を有する板状のスケールと、測長方向に沿ってスケールと相対移動可能に設けられる検出ヘッドと、を備える。検出ヘッドは、スケールに向かって光を照射する光源と、光源とスケールとの間に配置されるとともにスケールの板面と平行に配置され、スケールで反射した光を再びスケールに向かって反射する格子板と、格子板で反射した後にスケールで反射した光を受光する受光手段と、を備える。格子板は、長手方向に沿って所定の周期で形成されスケール格子と対向して設けられる複数の格子を備え、複数の格子は、スケール格子の所定の周期がｇであるとき、ｇ／２＋Δｇの周期にて形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、光学式エンコーダは、スケールで反射した光を再びスケールに向かって反射する格子板と、スケール格子の所定の周期に基づいて設計される複数の格子と、を備えることで、構成部材の互いの配置位置が変動することにより生じる光の進行方向の変化を抑制することができる。光学式エンコーダは、光源を設計しなくとも、格子板と複数の格子の設計を工夫することで信号精度の維持を図ることができる。

この際、検出ヘッドは、スケールと受光手段との間に配置されるレンズを備える。レンズは、スケールを反射した光を受光手段に向かって照射することが好ましい。

ここで、スケールおよび格子板を介した光は、複数の光に分割され回折される。受光手段には、なるべく多くの光が照射されることが望ましいが、分割されて回折されることで、信号を取得するための光が広範囲に照射されることとなる。受光手段を大きくすることで、広範囲に照射される光を取得することも考えられるが、その場合、光学式エンコーダが大型化するおそれがある。したがって、スケールおよび格子板で光が分割され回折されることで、信号を取得するための光がロスしてしまうことがある。これにより、信号の検出精度が劣化するおそれがある。

しかしながら、このような構成によれば、光学式エンコーダは、スケールと受光手段との間に配置されるレンズを備えることで、信号を取得するための光を集光し、光が分割されることによるロスを抑制することができる。

この際、光源は、ＬＥＤであることが好ましい。

ここで、前述の通り、スケール格子を第１格子とする従来の光学式エンコーダは、構成部材の互いの配置位置が変動し離間距離に偏差が生じると、干渉縞等の信号の検出を維持することできないことがある。一方、この問題は、Ｈｅ－Ｎｅレーザ等の可干渉領域の広い光源を用いることで解決することができる。具体的には、例えば光源がＨｅ－Ｎｅレーザである場合、そのコヒーレント長（可干渉領域）は数ｍである。このため、例えば第１格子板にて分割された２本の光の受光手段までの光路長の差が大きく異なったとしても、干渉縞を生じさせることができる。すなわち、光源として例えばコヒーレント長が数ｃｍと非常に短い光源を用いた場合、分割された２本の光の分割点から受光手段に照射されるまでの光路長の差が数ｃｍ以上であると、干渉縞は生じない。しかし、Ｈｅ－Ｎｅレーザ等の可干渉領域の広い光源は高価であるため、コストがかかるという問題がある。また、そのような光源を用いた場合、光学式エンコーダが大型化することもある。

これに対し、本発明の光学式エンコーダにおいて、分割された２本の光の光路は、複数の格子板やスケールの板面に直交する直交方向を軸に略線対称となる。このため、２本の光の光路長は、略同じ長さとなる。したがって、光学式エンコーダは、光源のコヒーレント長である数ｃｍ以内に分割された各光の光路長の差を収め、光源のコヒーレント性の制限内で確実に干渉縞を生じさせることができる。よって、光学式エンコーダは、光源のコヒーレント性による制限を回避しつつ、高価なＨｅ－Ｎｅレーザの代わりに例えばＨｅ－Ｎｅレーザと比較して低廉でコヒーレント性の制限が大きいＬＥＤなどを光源として用いることができるため、コスト削減を図ることができる。

第１実施形態に係る光学式エンコーダを示す斜視図 前記光学式エンコーダにおけるスケールと格子板の関係を示す平面図 前記光学式エンコーダにおける光の光路を示す原理図 第２実施形態に係る光学式エンコーダを示す斜視図 前記光学式エンコーダにおける格子板を示す平面図 第３実施形態に係る光学式エンコーダを示す斜視図 従来の光学式エンコーダを示す図

〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態を図１から図３に基づいて説明する。
図１は、第１実施形態に係る光学式エンコーダ１を示す斜視図である。
光学式エンコーダ１は、図１に示すように、板状のスケール２と、測長方向であるＸ方向に沿ってスケール２と相対移動可能に設けられる検出ヘッド３と、を備えるリニアエンコーダである。検出ヘッド３は、スケール２に向かって光を照射する光源４と、光源４とスケール２との間に配置される格子板５と、スケール２を介した光を受光する受光手段６と、を備える。また、光学式エンコーダ１は、スケール２と受光手段６との間に配置されるレンズ７を備える。これらを備えた検出ヘッド３は、スケール２に対して測長方向であるＸ方向に一体で進退可能に設けられている。リニアエンコーダは、検出ヘッド３をスケール２に沿って移動させることで、スケール２と検出ヘッド３との相対移動量から位置情報を取得する。
なお、以下の説明および各図面において、スケール２の測長方向であり長手方向をＸ方向とし、スケール２の短手方向をＹ方向とし、Ｘ方向およびＹ方向と直交する高さ方向をＺ方向と記す。

スケール２は、ガラス等で板状に形成されている。スケール２の一面には、測長方向であるＸ方向に沿って所定の周期ｇで形成されるスケール格子２０が設けられている。スケール格子２０は、光を反射する金属箔などの反射部材にて形成されている。なお、スケール格子２０は、金属箔でなくてもよく、光を反射することができればどのような素材を採用してもよい。
光源４は、スケール２の一面に向かって平行光を照射する。光源４は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）が用いられている。なお、以下の説明および各図面において、光源４から照射された光の光路は、矢印にて記載する。光源４にＬＥＤが用いられている理由は後述する。

受光手段６は、格子板５で反射した後にスケール２で反射した光を受光する。受光手段６は、スケール２の板面であるＸＹ平面と平行に配置されている。受光手段６は、スケール２および格子板５を介した光を受光し、その光によって生成された干渉縞から信号を検出する。本実施形態では、干渉縞は、スケール２の短手方向であるＹ方向に沿って受光手段６上に生成される。そして、受光手段６には、ＰＤＡ(Photo Diode Array)が用いられる。ＰＤＡは、複数の干渉縞を１度に測定することができる性質を持つ検出器である。なお、受光部７はＰＤＡに限らず、ＰＳＤ（Position Sensitive Detector）やＣＣＤ（Charge-Coupled Device）等の任意の検出器を用いてもよい。

レンズ７は、スケール２を反射した光を受光手段６に向かって照射する。レンズ７は、プラスチック樹脂などで形成される凹面を有するレンズである。なお、レンズ７は、スケール２を反射した光を集光し、受光手段６に向かって照射することができれば、どのようなレンズを採用してもよい。

格子板５は、スケール２の板面であるＸＹ平面と平行に配置されている板状の光学部材である。格子板５は、スケール２で反射した光を再びスケール２に向かって反射する。格子板５は、長手方向に沿って設けられる複数の格子５０を備える。複数の格子５０は、光を反射する金属箔などの反射部材にて形成されている。なお、複数の格子５０は、金属箔でなくてもよく、光を反射することができればどのような素材を採用してもよい。

また、複数の格子５０は、所定の周期Ｐで形成されている。具体的には、複数の格子５０の所定の周期Ｐは、スケール格子２０の所定の周期がｇであるとき、ｇ／２となるように設計される。複数の格子５０は、所定の周期Ｐ（ｇ／２）で格子板５の長手方向に沿って形成される。また、複数の格子５０は、スケール格子２０と対向して設けられている。
スケール２と格子板５とは、離間距離ｕを有して配置されている。

以下、光源４から照射された光が受光手段６に到達するまでの光の光路について説明する。先ず、光源４は、スケール２に光を照射する。次に、スケール２は、スケール格子２０で光を複数の光に分割し、分割した光を格子板５に反射する。格子板５は、複数の格子５０で光を再びスケール２に反射する。スケール２は、格子板５で反射された複数の光を合成し、合成した光をレンズ７に反射する。レンズ７は、スケール２からの光を集光し、受光手段６に向かって照射する。受光手段６は、レンズ７を介した光から信号を検出する。
光学式エンコーダ１は、スケール２で反射した光を格子板５にて再びスケール２に反射することで、スケール格子２０を第１格子および第３格子として機能させ、複数の格子５０を第２格子として機能させることができる。

図２は、光学式エンコーダ１におけるスケール２と格子板５の関係を示す平面図である。具体的には、図２は、＋Ｚ方向からスケール２と格子板５をみたときの図である。
複数の格子５０は、スケール格子２０に対して斜めに設けられている。具体的には、複数の格子５０は、図２に示すように、格子板５を回転させることでスケール格子２０に対して斜めに設けられている。

格子板５は、スケール２の板面であるＸＹ平面と直交する直交方向であるＺ方向を軸として回転させて測長方向であるＸ方向に対して角度αを有して設けられている。格子板５を回転させて設けることで、複数の格子５０は、格子板５にともなって回転する。これにより、複数の格子５０は、スケール格子２０に対して角度αを有して斜めに設けられる。
このように設けられる格子板５とスケール格子２０を介した光は、４相信号となる干渉縞を受光手段６上に生成する。

図３は、光学式エンコーダ１における光の光路を示す原理図である。
なお、図３では、光の光路の説明の都合上、スケール２に照射された光は図１とは異なり、スケール２を透過させた状態で記載している。
ここで、スケール２および格子板５を介した光は、複数の回折光に分割され回折される。複数の回折光は、入射光の光軸と同じ方向に進行する回折光と、入射光の光軸の両側を所定の回折角度で進行する回折光と、入射光の光軸の両側を所定の回折角度よりも大きな回折角度で進行する回折光と、を有する。
複数の回折光は、入射光の光軸と同じ方向に進行する回折光を０次回折光とすると、０次回折光を基準として回折角度が大きくなる方向に向かって±１次回折光、±２次回折光と順序づけることができる。

受光手段６は、主に±１次回折光により生成される干渉縞から信号を検出する。したがって、±１次回折光は信号回折光となり、±１次回折光よりも次数が高い回折光はノイズ回折光となる。以下の説明および各図面では、干渉縞を生成する信号回折光を実線矢印で記載し、図３では、±１次回折光の±の向きをかっこ書き内に記載している。

図３に示すように、スケール２は、光源４からの光を±１次回折光に分割する。信号回折光となる±１次回折光は、格子板５に照射される。格子板５に照射された±１次回折光は、複数の格子５０にて反射され再びスケール２に照射される。格子板５で反射された信号回折光となる±１次回折光は、スケール２で反射したときとは±が反転してスケール２に照射される。そして、±１次回折光は、スケール２により反射され、レンズ７を介して受光手段６に照射される。このとき、±１次回折光は、格子板５にて反射したときとは±が反転して受光手段６に照射される。このように、スケール２で分割された±１次回折光の光路は、光源４からの入射光の光軸を軸として線対称となる。これにより、構成部材の互いの配置位置が変動し離間距離ｕに偏差が生じたとしても、信号回折光が同一の箇所で重なって干渉する。

また、光学式エンコーダ１は、レンズ７を用いて多相信号を生成しているため、受光手段６は、信号周期がスケール周期の１／４の高分解能な信号を取得することができる。スケール２と格子板５で反射し、再びスケール２で反射する光が重なる合成点Ｑには、スケール２で２回回折し反射した光の干渉像が形成される。レンズ７は、その干渉像を受光手段６上で結像させる。スケール２で２回回折し反射した光が干渉する場合、干渉縞の周期は、スケール周期の１／４となるため、受光手段６は、高分解能な信号を取得することができる。

また、前述のように、光源４から受光手段６までの分割された２本の光の光路は、線対称となるため、２本の光の光路長は、略同じ長さとなる。これにより、光学式エンコーダ１は、光源４にコヒーレント長が数ｃｍと短いＬＥＤを採用することができる。そして、光学式エンコーダ１は、光源４のコヒーレント長である数ｃｍ以内に分割された各光の光路長の差を収め、光源４のコヒーレント性の制限内で確実に干渉縞を生じさせることができる。

このような第１実施形態によれば、以下の作用・効果を奏することができる。
（１）光学式エンコーダ１は、複数の格子５０により、波長板や偏光フィルターを備えることなく４相信号を容易に検出することができる。
（２）光学式エンコーダ１は、スケール２を反射した光を格子板５にて再びスケール２に反射するため、スケール格子２０を第１格子および第３格子とし、複数の格子５０を第２格子として扱うことができる。したがって、光学式エンコーダ１は、部品点数を減らしつつ、構成部材の互いの配置位置が変動し離間距離に偏差が生じたとしても、光源４の設計における制約を考慮することなく信号の検出精度を維持することができる。

（３）光学式エンコーダ１は、スケール２と受光手段６との間に配置されるレンズ７を備えることで、信号を取得するための光を集光し、光が分割されることによるロスを抑制することができる。
（４）光学式エンコーダ１は、光源４のコヒーレント性による制限を回避しつつ、高価なＨｅ－Ｎｅレーザの代わりに例えばＨｅ－Ｎｅレーザと比較して低廉でコヒーレント性の制限が大きいＬＥＤを用いることができるため、コスト削減を図ることができる。

〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態を図４および図５に基づいて説明する。なお、以下の説明では、既に説明した部分については、同一符号を付してその説明を省略する。

図４は、第２実施形態に係る光学式エンコーダ１Ａを示す斜視図である。また、図５は、光学式エンコーダ１Ａにおける格子板５Ａ，５Ａａを示す平面図である。具体的には、図５（Ａ）は、４相信号を取得する際の格子板５Ａを示す平面図である。また、図５（Ｂ）は、３相信号を取得する際の格子板５Ａａを示す平面図である。
第２実施形態の光学式エンコーダ１Ａは、検出ヘッド３Ａの格子板５Ａを除き、第１実施形態の光学式エンコーダ１と略同様の構成を有する。
前記第１実施形態では、複数の格子５０は、スケール格子２０の所定の周期ｇに基づき設計されていた。また、複数の格子５０は、格子板５を回転させることでスケール格子２０に対して斜めに設けられていた。

図４に示すように、第２実施形態では、格子板５Ａは、回転させて設けられておらず、長手方向と測長方向とが平行となるように配置されている点で前記第１実施形態と異なる。
また、図５に示すように、複数の格子５０Ａ，５０Ａａは、第１実施形態の複数の格子５０とは異なる方法で設計されている。

具体的には、複数の格子５０Ａ，５０Ａａは、長手方向であるＸ方向に沿って所定の周期ｇで形成されスケール格子２０と対向して設けられている。複数の格子５０Ａ，５０Ａａは、スケール格子２０の所定の周期がｇであるとき、ｇ／２の周期で長手方向であるＸ方向に沿って形成される。複数の格子５０Ａ，５０Ａａを１個の格子列１０Ａ～１０Ｄ，１０Ａａ～１０Ｃａとする。格子列１０Ａ～１０Ｄ，１０Ａａ～１０Ｃａの直交方向であるＹ方向の幅は、２０～３０μｍに形成されている。

また、受光手段６（図４参照）に生成される干渉縞の位相をｎ相とする。また、定数ｎを１以上の整数とし、格子板５０Ａ，５０Ａａの板面において長手方向であるＸ方向と直交する直交方向であるＹ方向に沿って並設されるｎ個の格子列１０Ａ～１０Ｄ，１０Ａａ～１０Ｃａを１個の格子群１０，１０ａとする。

このとき、ｎ個の格子列１０Ａ～１０Ｄ，１０Ａａ～１０Ｃａは、直交方向であるＹ方向に沿って並設される際、隣接する格子列１０Ａ～１０Ｄ，１０Ａａ～１０Ｃａに対して互いに長手方向であるＸ方向に沿ってｇ／（４ｎ）ずつずらして配置される。格子群１０，１０ａは、直交方向であるＹ方向に沿って複数並設されている。

例えば、４相信号を取得したい場合における格子板５Ａは、以下のように設計される。
先ず、干渉縞の位相ｎを４相とする。次に、４相信号を取得するため、定数ｎは「４」となる。図５（Ａ）に示すように、格子群１０は、直交方向であるＹ方向に沿って格子列１０Ａと格子列１０Ｂと格子列１０Ｃと格子列１０Ｄとを有する。４相信号が例えばＡ相、Ｂ相、ＡＢ相、およびＢＢ相を有するとき、格子列１０Ａ～１０Ｄは、それぞれ対応する位相が異なる。具体的には、格子列１０Ａは、Ａ相に対応している。また、格子列１０Ｂは、Ｂ相に対応している。また、格子列１０Ｃは、ＡＢ相に対応している。また、格子列１０Ｄは、ＢＢ相に対応している。

そして、４個の格子列１０Ａ～１０Ｄは、直交方向であるＹ方向に沿って並設される際、隣接する格子列１０Ａ～１０Ｄに対して互いに長手方向であるＸ方向に沿ってｇ／１６ずつずらして配置される。このとき、４個の格子列１０Ａ～１０Ｄは、互いに位相差が９０度となる。格子群１０は、直交方向であるＹ方向に沿って、４個の格子列１０Ａ～１０Ｄが繰り返し出現するように複数並設されている。

また、例えば、３相信号を取得したい場合における格子板５Ａａは、以下のように設計される。
先ず、干渉縞の位相ｎを３相とする。次に、３相信号を取得するため、定数ｎは「３」となる。図５（Ｂ）に示すように、格子群１０ａは、直交方向であるＹ方向に沿って格子列１０Ａａと格子列１０Ｂａと格子列１０Ｃａとを有する。３相信号が例えばＲ相、Ｓ相、およびＴ相を有するとき、格子列１０Ａａ～１０Ｃａは、それぞれ対応する位相が異なる。
具体的には、格子列１０Ａａは、Ｒ相に対応している。また、格子列１０Ｂａは、Ｓ相に対応している。また、格子列１０Ｃａは、Ｔ相に対応している。

そして、３個の格子列１０Ａａ～１０Ｃａは、直交方向であるＹ方向に沿って並設される際、隣接する格子列１０Ａ～１０Ｄに対して互いに長手方向であるＸ方向に沿ってｇ／１２ずつずらして配置される。このとき、３個の格子列１０Ａａ～１０Ｃａは、互いに位相差が１２０度となる。格子群１０ａは、直交方向であるＹ方向に沿って、３個の格子列１０Ａａ～１０Ｃａが繰り返し出現するように複数並設されている。

光学式エンコーダ１Ａにおいて、４相信号を取得できるように設計するよりも３相信号を取得できるように設計する際、次のような利点がある。３相信号は４相信号よりも信号数が少ないため、受光手段６における受光素子アレイの中の配線を少なくすることができる。すなわち、配線の種類を４種類から３種類に減らすことができる。これにより、４相信号を取得できるように設計するよりも、受光手段６を設計しやすくすることができる。

第２実施形態においても、前記第１実施形態における（２）～（４）と同様の作用、効果を奏することができる他、以下の作用、効果を奏することができる。
（５）光学式エンコーダ１Ａは、スケール２で反射した光を再びスケール２に向かって反射する格子板５Ａ，５Ａａと、スケール格子２０の所定の周期ｇに基づいて設計される複数の格子５０Ａ，５０Ａａからなる格子列１０Ａ～１０Ｄ，１０Ａａ～１０Ｃａと、格子列１０Ａ～１０Ｄ，１０Ａａ～１０Ｃａを長手方向に沿ってｇ／（４ｎ）ずつずらして配置される複数の格子群１０，１０ａと、を備えることで、構成部材の互いの配置位置が変動することにより生じる光の進行方向の変化を抑制することができる。

（６）光学式エンコーダ１Ａは、第１実施形態における光学式エンコーダ１と比較して、所望の干渉縞の位相に応じて格子板５Ａ，５Ａａを容易に設計することができる。
（７）光学式エンコーダ１Ａは、格子板５Ａ，５Ａａにより、波長板や偏光フィルターを備えることなく３相信号や４相信号を容易に検出することができる。

〔第３実施形態〕
以下、本発明の第３実施形態を図６に基づいて説明する。なお、以下の説明では、既に説明した部分については、同一符号を付してその説明を省略する。

図６は、第３実施形態に係る光学式エンコーダ１Ｂを示す斜視図である。
第３実施形態の光学式エンコーダ１Ｂは、検出ヘッド３Ｂの格子板５Ｂと受光手段６Ｂを除き、第２実施形態の光学式エンコーダ１Ａと略同様の構成を有する。
前記第２実施形態では、複数の格子５０Ａ，５０Ａａは、複数の格子列１０，１０ａを有し、複数の格子列１０，１０ａは、取得したい信号に応じて測長方向に沿ってずらして配置されていた。また、受光手段６は、スケール２の短手方向であるＹ方向に沿って生成される干渉縞を受光していた。

第３実施形態では、図６に示すように、複数の格子５０Ｂは、スケール格子２０の所定の周期がｇであるとき、「ｇ／２＋Δｇ」の周期にて形成されている点で前記第２実施形態と異なる。また、複数の格子５０Ｂを介した光は、スケール２で反射され受光手段６Ｂに照射されると、測長方向であるＸ方向に沿った干渉縞を生成する。受光手段６Ｂは、測長方向であるＸ方向に沿った干渉縞を受光する点で前記第２実施形態と異なる。

このような第３実施形態によれば、前記第１実施形態における（１）～（４）と同様の作用、効果を奏することができる他、以下の作用、効果を奏することができる。
（８）光学式エンコーダ１Ｂは、スケール２で反射した光を再びスケール２に向かって反射する格子板５Ｂと、スケール格子２０の所定の周期に基づいて設計される複数の格子５０Ｂと、を備えることで、構成部材の互いの配置位置が変動することにより生じる光の進行方向の変化を抑制することができる。光学式エンコーダ１Ｂは、光源４を設計しなくとも、格子板５Ｂと複数の格子５０Ｂの設計を工夫することで信号精度の維持を図ることができる。

〔実施形態の変形〕
なお、本発明は、前記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記各実施形態では、リニアエンコーダである光学式エンコーダ１，１Ａ～１Ｂに本発明を用いる場合を説明したが、光学式エンコーダであれば、検出器の形式や検出方式等は特に限定されるものではない。

前記各実施形態では、受光手段６，６Ｂは、主に±１次回折光により生成される干渉縞から信号を検出していたが、受光手段は、光を受光し信号を検出することができれば、どのような光を信号として受光してもよい。
前記各実施形態では、光学式エンコーダ１，１Ａ～１Ｂは、レンズ７を備えていたが、光学式エンコーダは、レンズを備えていなくてもよい。また、前記各実施形態では、光源４はＬＥＤであったが、光源は、ＬＥＤではなく受光手段において干渉縞を生じさせることができれば、どのような光源を採用してもよい。

以上のように、本発明は、光学式エンコーダに好適に利用できる。

１，１Ａ～１Ｂ 光学式エンコーダ
２ スケール
３，３Ａ～３Ｂ 検出ヘッド
４ 光源
５，５Ａ～５Ｂ 格子板
５０，５０Ａ，５０Ａａ，５０Ｂ 複数の格子
６，６Ｂ 受光手段
１０，１０ａ 格子群
１０Ａ～１０Ｄ，１０Ａａ～１０Ｃａ 格子列

Claims (5)

1. 測長方向に沿って所定の周期で形成されるスケール格子を有する板状のスケールと、測長方向に沿って前記スケールと相対移動可能に設けられる検出ヘッドと、を備える光学式エンコーダであって、
   前記検出ヘッドは、
   前記スケールに向かって光を照射する光源と、
   前記光源と前記スケールとの間に配置されるとともに前記スケールの板面と平行に配置され、前記スケールで反射した光を再び前記スケールに向かって反射する格子板と、
   前記格子板で反射した後に前記スケールで反射した光を受光する受光手段と、を備え、
   前記格子板は、
   前記長手方向に沿って所定の周期で形成され前記スケール格子と対向して設けられる複数の格子を備え、
   前記複数の格子は、前記スケール格子の所定の周期がｇであるとき、ｇ／２の周期で前記長手方向に沿って形成され、
   前記格子板は、前記スケールの板面と直交する直交方向を軸として回転させて測長方向に対して角度を有して設けられていることを特徴とする光学式エンコーダ。
2. 測長方向に沿って所定の周期で形成されるスケール格子を有する板状のスケールと、測長方向に沿って前記スケールと相対移動可能に設けられる検出ヘッドと、を備える光学式エンコーダであって、
   前記検出ヘッドは、
   前記スケールに向かって光を照射する光源と、
   前記光源と前記スケールとの間に配置されるとともに前記スケールの板面と平行に配置され、前記スケールで反射した光を再び前記スケールに向かって反射する格子板と、
   前記格子板で反射した後に前記スケールで反射した光を受光する受光手段と、を備え、
   前記格子板は、
   前記長手方向に沿って所定の周期で形成され前記スケール格子と対向して設けられる複数の格子を備え、
   前記複数の格子は、前記スケール格子の所定の周期がｇであるとき、ｇ／２の周期で前記長手方向に沿って形成され、
   前記複数の格子を１個の格子列とし、前記受光手段に生成される干渉縞の位相をｎ相とし、定数ｎを１以上の整数とし、前記格子板の板面において長手方向と直交する直交方向に沿って並設されるｎ個の前記格子列を１個の格子群とするとき、
   ｎ個の前記格子列は、前記直交方向に沿って並設される際、隣接する前記格子列に対して互いに長手方向に沿ってｇ／（４ｎ）ずつずらして配置され、
   前記格子群は、前記直交方向に沿って複数並設されていることを特徴とする光学式エンコーダ。
3. 測長方向に沿って所定の周期で形成されるスケール格子を有する板状のスケールと、測長方向に沿って前記スケールと相対移動可能に設けられる検出ヘッドと、を備える光学式エンコーダであって、
   前記検出ヘッドは、
   前記スケールに向かって光を照射する光源と、
   前記光源と前記スケールとの間に配置されるとともに前記スケールの板面と平行に配置され、前記スケールで反射した光を再び前記スケールに向かって反射する格子板と、
   前記格子板で反射した後に前記スケールで反射した光を受光する受光手段と、を備え、
   前記格子板は、
   前記長手方向に沿って所定の周期で形成され前記スケール格子と対向して設けられる複数の格子を備え、
   前記複数の格子は、前記スケール格子の所定の周期がｇであるとき、
   ｇ／２＋Δｇの周期にて形成されていることを特徴とする光学式エンコーダ。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載された光学式エンコーダにおいて、
   前記検出ヘッドは、前記スケールと前記受光手段との間に配置されるレンズを備え、
   前記レンズは、前記スケールを反射した光を前記受光手段に向かって照射することを特徴とする光学式エンコーダ。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載された光学式エンコーダにおいて、
   前記光源は、ＬＥＤであることを特徴とする光学式エンコーダ。

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