JP3196487B2 - 変移の測定方法および測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、移動物体の変移の測定
方法と測定装置に関し、例えば、回転体の回転量、回転
角度あるいは移動体の位置等の変移を測定するための測
定方法及び測定装置に関する。

【０００２】より詳細には、移動物体に取り付けられた
回折格子に可干渉性光束を入射させ、前記回折格子を通
過した回折光を互いに干渉させ、干渉した光の強度を測
定することにより、移動体に固定された回折格子の移動
状態を測定し、もって移動体の位置や移動量等の変移を
測定するものである。

【０００３】

【従来の技術】従来の位置、角度測定方法を図３６に示
す光学式エンコーダを用いて説明する。３０１は光源で
あり、３０２は、円周上に等ピッチのスリットまたは回
折格子３０６が配置されたＡ／Ｂ相信号領域と、円周上
にただ１つのスリット３０７が配置されたＺ相信号領域
をもつ回転板であり、３０３は、回転板と同じピッチの
スリットまたは回折格子３０８が配置されたＡ／Ｂ相信
号領域部分と、円周上にただ１つのスリット３０９が配
置されたＺ相信号領域をもつ固定板である。３０４は受
光器であり、回転板３０２と固定板３０３の透過光を検
出する。

【０００４】回転板と固定板のＡ／Ｂ相信号領域を透過
する光を検出することにより、回転板の角度に応じた信
号（Ａ／Ｂ相信号）を検出し、Ｚ相信号領域を透過する
光を検出することにより、回転板の原点を示す信号（Ｚ
相信号）検出できる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の従
来例に示した構成では、Ａ／Ｂ相信号の変調度特性が劣
化するという問題がある。この問題を以下に説明する。

【０００６】図２６は従来における移動体の位置あるい
は角度の測定に使用される光学エンコーダの基本構成を
示している（特開平３−２５７４１９号公報）。

【０００７】図２６において、１１は半導体レーザもし
くは比較的可干渉性の高い発光ダイオードよりなる光
源、１２は光源１１より出射された光を平行光にするコ
リメータレンズ、１３は、図示の様に、断面が矩形波形
状の位相格子を有し、レンズ１２から射出する平行光の
光軸に対して垂直に配置された固定回折板、１４は、断
面が矩形波形状の位相格子を有し光軸に対して垂直に配
置された移動回折板であって、光軸に垂直方向（図面の
上下方向）に移動可能である。そして、固定回折板１３
の位相格子と移動回折板１４の位相格子とは、互いに同
じ周期を有している。

【０００８】また、この固定回折板１３及び移動回折板
１４の山と谷との段差ｄは、光源１１の波長λに対し
て、

【０００９】

【数１】

【００１０】を満たす様に形成されている。但し、ｍ＝
０、±１、±２、・・・であり、ｎは固定回折板１３及
び移動回折板１４を構成する材料の屈折率、ｎ０ は固
定回折板１３と移動回折板１４との間の媒質の屈折率で
ある。

【００１１】また、図２６において、１０５は移動回折
板１４を通過した光を集光する集光レンズ、１６は集光
レンズ１０５により集光された回折像を電気信号に変え
て出力する受光器である。

【００１２】移動回折板１４は、例えば回転する回転体
に固定され、一方、固定回折板１３は、静止した状態に
保持される。そして、固定回折板１３に対する移動回折
板１４の移動量を受光器１６からの出力に基づいて導出
することで、回転体の回転量等が検出される。

【００１３】以上のように構成された光学式エンコーダ
の従来例についてその動作を説明する。

【００１４】まず、光源１１から出射された光は、コリ
メータレンズ１２により平行光にされた後、固定回折板
１３に略垂直方向に入射される。

【００１５】ところで、固定回折板１３の山と谷との段
差ｄは、前述したように（数１）で表わされる関係にな
るように形成されている。

【００１６】この場合、０次をはじめとする偶数次の回
折光の成分が０になること、及び±１次の回折光に大半
のエネルギー（各々４０％程度）が集中することは周知
である。

【００１７】従って、固定回折板１３に入射した光は、
固定回折板１３によって回折され、＋１次の回折光１１
０、−１次の回折光１１１、・・・として出射される。

【００１８】これらの回折光１１０、１１１は、移動回
折板１４に入射した後、さらに回折光として出射され
る。

【００１９】また、固定回折板１３同様、この移動回折
板１４から出射された回折光は、０次をはじめとする偶
数次の回折光の成分が０になり、±１次の回折光に大半
のエネルギーが集中する。

【００２０】移動回折板１４から出射される回折光を
（ｎ、ｍ）（但し、ｎは固定回折板１３による回折次
数、ｍは移動回折板１４による回折次数）として表わす
と、移動回折板１４を通過する光軸に平行な回折光は、
図２６に示すように、（＋１、−１）の回折光１２１、
（−１、＋１）の回折光１２２、（−３、＋３）の回折
光、（＋３、−３）の回折光、・・・がある。但し、図
２６においては、図示の都合上、３次の回折光以上の回
折光は省略している。

【００２１】移動回折板１４を光軸に対して垂直方向に
一定速度で移動させると、移動に伴って０次よりも高次
の回折光の位相は０次の回折光の位相に対して変化する
ので、（＋ｋ、−ｋ）の回折光と（−ｋ、＋ｋ）の回折
光とが干渉して得られる干渉波の光強度は、移動回折板
１４に形成された格子の配列ピッチをｐとすると、ｋ／
ｐの周波数を持つ正弦波（基本周波数１／ｐのｋ倍周
波）を生じることは周知のことである。

【００２２】従って、主要光量を占める（＋１、−１）
の回折光１２１と（−１、＋１）の回折光１２２とは互
いに干渉し、固定回折板１３及び移動回折板１４の基本
周波数に対して２倍の周波数を有する正弦波よりなる出
力が得られる。

【００２３】本従来例は、前述した２倍周波の成分を利
用して精度の高い位置検出を可能とするものである。

【００２４】しかしながら上記の従来例に示した構成で
は、変調度特性が劣化するという課題がある。

【００２５】すなわち、従来例において光を有効に利用
するため、（＋１、−１）の回折光と（−１、＋１）の
回折光を全て集光レンズ１０５により集光する構成とす
ると、受光器１６で検出される最小出力強度が０となら
ず、変調度特性が劣化するという課題がある。

【００２６】このことについて、図２７に示すモデルを
解析的に解くことにより説明する。図２７において、光
源１１の波長をλ、ビーム径をＤ、固定回折板１３及び
移動回折板１４の格子ピッチをｐ、集光レンズ１０５を
焦点距離ｆのフーリエ変換レンズとする。また、移動回
折板１４の移動量を△ｘ、一次回折光の回折角λ／ｐを
αとし、αは十分に小さく、ｓｉｎα＝ｔａｎα＝αと
見なせるものとする。

【００２７】また、固定回折板１３及び移動回折板１４
に形成された格子の断面形状を、簡単のために、複素振
幅を用いて ｃｏｓ（ｋαｘ）＝｛ｅｘｐ（ｉｋαｘ）＋ｅｘｐ（−ｉｋαｘ）｝／２ で表し、固定回折板１３をでた±１次回折光を平行光で
近似すると、移動回折板１４上での＋１次回折光の複素
振幅は Ａφｅｘｐ（−ｉｋαｘ） と書け、また−１次回折光の複素振幅は Ａφｅｘｐ（ｉｋαｘ） と書ける。但し、φ＝ｅｘｐ（−ｉｋｇｃｏｓα）であ
り、Ａは入射ビームの振幅を示す。

【００２８】以上のように仮定すると、＋１次回折光の
移動回折板１４上での複素振幅ｆ１は（数２）のように
表わされる。

【００２９】

【数２】

【００３０】同様にして、−１次回折光の移動回折板１
４上での複素振幅ｆ２は（数３）のように表わされる。

【００３１】

【数３】

【００３２】ここで、＋１次回折光の移動回折板１４上
での広がりは、（−Ｄ／２−ｇα、Ｄ／２−ｇα）とな
る。

【００３３】従って、（数２）をこの範囲でフーリエ変
換すると（数４）となる。但し、ω＝２πｘ／（ｆλ）
である。

【００３４】

【数４】

【００３５】同様に、−１次回折光の広がりは（−Ｄ／
２＋ｇα、Ｄ／２＋ｇα）となるので、（数３）をこの
範囲でフーリエ変換すると（数５）となる。

【００３６】従って、受光器１６で検出される複素振幅
Ｆは（数６）となる。

【００３７】

【数５】

【００３８】

【数６】

【００３９】（数６）に於て、第１項は（＋１、−１）
と（−１、＋１）の回折光を示し、第２項は（＋１、＋
１）の回折光を示し、第３項は（−１、−１）の回折光
を示している。

【００４０】次に、第２項及び第３項が光軸（ω＝０）
近傍に及ぼす影響について述べる。（数６）において、
ω＝△ｘ＝０の時の、第１項の振幅はＡＤとなる。

【００４１】一方、第２、３の振幅は Ａ｜ｓｉｎ（ｋαＤ）｜／（２ｋα）≦Ａ／（２ｋα）
＝Ａｐ／（４π） となる。

【００４２】ここで、Ｄ：０．５ｍｍ、ｐ：１０μｍと
すると、第２項／第１項及び第３項／第１項は０．００
１６以下となる。

【００４３】従って、光軸近傍では第２、３の項は十分
に小さく無視でき、受光器１６で検出されるのは第１項
のみとなる。よって、この（数６）の第１項のみについ
て考える。

【００４４】図２８は移動回折板１４の移動量△ｘ＝０
の場合、つまり、最大出力強度の場合の受光器１６での
強度分布を示している。図２８より、光軸上の点で最大
の強度となっていることがわかる。但し、この計算には
λ：６３３ｎｍ、ｇ：２ｍｍ、ｆ：５ｍｍ、ｐ：１０μ
ｍ、Ｄ：０．５ｍｍを用いた。

【００４５】図２９は最小出力強度となるる場合（ｋα
△ｘ＝π／２、つまり、△ｘ＝ｐ／４）の強度分布を示
している。但し、強度の正規化は図２８の最大強度で行
った。また、この時、（数６）の第１項は（数７）のよ
うになる。

【００４６】

【数７】

【００４７】図２９及び（数７）より、光軸外で光が存
在することがわかる。このような光が存在すると、変調
度特性が劣化する。

【００４８】実際、上記の値を用い、更に受光器６の大
きさを５０μｍとした場合の変調特性を図３０に示す。
この時の変調度は、０．５１となった。但し、 変調度＝（最大出力強度−最小出力強度）／（最大出力
強度−最小出力強度） とした。

【００４９】このような影響を除去するために、ピンホ
ール等により光軸外の光を遮光する方法が考えられる
が、図２９の場合には主要光量をしめるビーム径が１２
μｍと小さいため、ピンホールはそれ以下の２〜３μｍ
程度にする必要がある。

【００５０】しかし、この場合にも光を検出し、変調度
特性は劣化する。また、このピンホールと光軸との位置
調整が困難であることと、このような小さなピンホール
を用いると光量損失が大きく、受光器１６から得られる
電気信号は、微弱なものとなりノイズに弱くなることは
言うまでもない。

【００５１】さらに、回転板の幾何学的中心とその回転
中心がずれている、すなわち偏心があると、Ａ／Ｂ相信
号に累積誤差が生じるという問題がある。

【００５２】この問題を図３１の模式図を用いて説明す
る。５１は光源、５２は光源５１の射出光を平行光化す
るコリメータレンズ、５３は円周上に等間隔のスリット
を持った回転板、５４は回転板５３と同じスリット間隔
を持つ固定板、５５は回転板５３と固定板５４を通過し
た光を検出する受光器である。

【００５３】回転板５３が回転すると、回転板５３のス
リット開口部と固定板５４のスリット開口部の相対的な
位置関係が変化するため、受光器５５での受光量は、こ
の一関係の変化に応じて変化する。

【００５４】この場合の光受光器５５の出力信号の変化
を図３２に示す。回折が生じない程度にスリット間隔が
広い場合には、出力信号は、同図（ａ）に示す様に変化
する。

【００５５】また回転板５３と固定板５４の間隔に対し
てスリットピッチがある程度小さいと、スリットにおけ
る光の回折の影響で受光器５５の波形は山と谷の角が丸
くなり、図３２（ｂ）のように正弦波に近くなる。

【００５６】今、簡単化のために信号波形を正弦波で近
似すると、受光器５５の出力は(数８)に示すようにな
る。

【００５７】

【数８】

【００５８】ただし、Ａは信号振幅、Ｂは信号の直流成
分、Ｎは回転板５３に形成されたスリット数、θは回転
角である。

【００５９】回転板５３の偏心による累積誤差について
図３３を参照して説明する。図３３は回転板５３上のビ
ーム照射位置およびビーム軌跡を示した説明図であり、
同図において、回転板５３の回転中心６０と回転板中心
６１との間に偏心εがあると、点６２の回転角すなわち
回転中心６０に対する角度θと、回転板中心６１に対す
る角度θaは異なるものとなる。

【００６０】回転中心６０と受光器５５間の距離をｒと
し、δ＝θ−θaとすると、図より、δ＝(ε／ｒ)cosθ
となる。受光器５５の信号出力は、回転板中心６１に対
する角度θａに基づくので、出力信号は(数９)に示す式
のようになる。

【００６１】

【数９】

【００６２】ここで、回転角θがθ＝０からθまで回転
したときの受光器５５のパルス数は

【００６３】

【数１０】

【００６４】であるので、θ＝αからθ＝βまで回転し
たときのパルス数は、

【００６５】

【数１１】

【００６６】となり、真のパルス数Ｎ(β−α)との差、
すなわち信号の累積誤差は、

【００６７】

【数１２】

【００６８】となる。

【００６９】α＝０、β＝πのときに最大の累積誤差が
生じ、Ｎε／(πｒ)パルスとなる。例えば、１回転のパ
ルス数をＮ＝１００００、回転中心からの受光器の位置
ｒ及び偏心量εをそれぞれ、２０mm、１０μmとした場
合、累積誤差として１．６パルスが生じ、１００００パ
ルスのエンコーダとしては誤差が大きすぎるため使用で
きない。

【００７０】累積誤差を小さくするためには、前記のｒ
を大きくするか、または偏心εを小さくすればよい。

【００７１】しかし、累積誤差を、例えば０．１パルス
以下とするためには、ｒ＞３２０mmとしなければなら
ず、エンコーダが非常に大型化するという問題がある。
また偏心εを小さくする方法で対処するには、この場
合、ε＜０．６μmとしなければならず、回転板５３の
組み立てが非常に困難となる。

【００７２】このため、従来、高分解能を必要とするエ
ンコーダでは、回転板５３の回転中心に対して対称な２
点に受光器を配置し、それぞれの受光器で検出した光強
度の算術平均を用いて累積誤差の発生を防ぐ方法が採ら
れてきた。

【００７３】以下にその原理を説明する。回転板に偏心
があるときの２つの受光器での出力は(数９)の式を用い
ると(数１３)、(数１４)に示す式で得られる。

【００７４】

【数１３】

【００７５】

【数１４】

【００７６】簡単化のためにＡ１＝Ａ２＝Ａ、Ｂ１＝Ｂ
２＝Ｂとすると、２つの出力の算術平均は、(数１５)に
示す式で得られる。

【００７７】

【数１５】

【００７８】（数１５）よりsin(Ｎθ)、すなわち信号
のパルスの周期に関する項から偏心εの影響が消えてい
るので、偏心による累積誤差は生じないことがわかる。

【００７９】しかし、（数１５）から明かな様に、得ら
れる信号の振幅には、cos｛(Ｎε／ｒ)cosθ｝の項が掛
け合わされており、偏心εがあると回転角により信号振
幅が変化することを表している。

【００８０】そして｜Ｎε／ｒ｜＞πとなると、回転板
の１回転中に信号振幅がゼロとなる部分が生じるため、
エンコーダとして用いるためには｜Ｎε／ｒ｜＜πとす
る必要がある。

【００８１】例えば、Ｎ＝１００００、ｒ＝２０mmとす
ると、偏心εを６．３μm以下とする必要がある。この
ため、エンコーダの小型化、高分解能化のためには高精
度な回転板の組立調整が必要となり、コストアップとな
る。また、負荷による軸偏心も小さくしなければならな
いため、軸受けが大型化し装置が重量化すると共に、使
用条件も制限されるという問題を有していた。

【００８２】さらに、光源の強度の変化によりエンコー
ダの原点の位置検出精度が劣化するという問題がある。
この問題を以下に説明する。

【００８３】従来より物体の位置を非接触で検出するこ
とは広く行われており、例えば特開平２−４４２０２号
公報に示されている様に、物体に光を照射しその像をテ
レビカメラ上に投影し、リニアアレイセンサの出力信号
を２値化して位置を検出するものや、また、移動する物
体（以下移動体と記す）の基準位置を検出するには移動
体にスリットを設け、光源からの出射光はこのスリット
を通して受光部を照射し、受光部の出力信号を２値化し
て得るものがある。

【００８４】以下、従来の位置検出方法の一例について
図３４および図３５を参照しながら説明する。

【００８５】図３４は従来の位置検出装置の平面図を示
すものである。図３４において、２５１は光源、２５２
は移動体であり、この移動体２５２上にスリット２５３
が設けられている。２５４は受光部である。移動体２５
２は光源２５１と受光部２５４の間にあり、光源２５１
と受光部２５４を結ぶ軸に対し垂直方向に移動する。

【００８６】以上のように構成された位置検出装置につ
いて、その動作について説明する。

【００８７】図３５（ａ）は、移動体２５２のスリット
２５３を通過した光ビーム２５５と受光部２５４とを描
いたものである。移動体は、同図において、ｘ軸に沿っ
て左から右へ移動しているものとする。従って、光ビー
ム２５５は、移動体２５２の移動により受光部２５４上
を走査する。

【００８８】このとき受光部２５４の出力は図３５
（ｂ）に示す信号波形となる。受光部２５４にはいる散
乱光等の影響を防ぐために、適当なしきい値を設けて、
この出力を２値化することにより、移動体２５２の基準
位置信号を得るものである。

【００８９】しかしながら、この場合、以下の課題があ
る。すなわち、光源の射出光強度が変動すると、結果と
して相対的なしきい値レベルの変動と同様な影響が現
れ、このため基準位置信号のパルス幅および信号エッジ
の位置が変化し位置検出精度が劣化する。

【００９０】また、受光部２５４上のビームが小さくな
るほど、移動体２５２の変位に対する受光部２５４の出
力信号の変化率は大きくなり、受光部２５４に入る錯乱
光によるノイズや電気的なノイズに対する位置検出精度
の劣化が少なくなる。

【００９１】しかしビームを小さくするためにスリット
２５３を小さくし過ぎると、回折が生じ受光部２５４上
のビームは逆に大きくなる。

【００９２】さらに、スリット２５３を小さくすると受
光部２５４での光量が少なくなり、ノイズによる誤差が
大きくなる。

【００９３】回折の影響を防ぐためにスリット２５３と
受光部２５４間のギャップを小さくすることも考えられ
るが、このギャップを小さくすると、移動体と受光部と
が接触して、互いに損傷を受ける危険がある。

【００９４】また、短い所定幅のパルスを得るために
は、受光部２５４の幅とビームの大きさを小さくしなけ
ればならないが、この場合も同様に、移動体２５２と受
光部２５４の接触、ノイズによる位置検出精度の劣化が
起こるという問題がある。

【００９５】本発明は上記問題点に鑑み、変調度特性が
良く、精度の高い位置検出を可能とし、また、回転板の
偏心による累積誤差がなく、許容偏心量が大きく、組み
立てが容易であり、また、光源の射出光強度の変動、移
動体と受光部間の距離を十分に広げられ、ノイズによる
位置検出精度の劣化の少ない位置、角度測定方法を提供
することを目的とする。

【００９６】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに請求項１記載の発明は、波長λでビーム径Ｄの平行
光を、光の光軸に対して略垂直でかつ距離ｇを隔てて互
いに平行に設けられており主要回折成分が±１次である
ピッチｐの回折格子を有する固定回折板及び移動回折板
に入射し、光軸と平行な回折光を入射瞳径がＤ−２ｇλ
／ｐ以内に制限された集光レンズにより集光し、その光
量を検出する。

【００９７】あるいは請求項２記載の発明は、波長λで
ビーム径Ｄの平行光を、距離ｇを隔てて互いに平行に設
けられており主要回折成分が±１次であるピッチｐの回
折格子を有する固定回折板及び移動回折板に略垂直に入
射し、前記固定回折板及び前記移動回折板からｐＤ／
（２λ）−ｇ以上の距離でＤ−２ｇλ／ｐ以内の領域の
光量を検出する。

【００９８】あるいは請求項３記載の発明は、波長λ、
ビーム径Ｄの平行光を出射する光源と、前記光源から出
射された光の光軸に対して略垂直でかつ距離ｇを隔てて
互いに平行に設けられており主要回折光が±１次である
ピッチｐの位相格子を有する固定回折板及び移動回折板
と、前記固定回折板及び移動回折板を通過した光を受光
する受光器と、入射瞳径がＤ−２ｇλ／ｐ以内に制限さ
れ前記固定回折板及び前記移動回折板を通過した光軸と
平行な回折光を前記光受光器に集光させる集光レンズ
と、前記移動回折板上に配置され前記光源の光路内を通
過する第１のフレネルゾーンプレートと第２のフレネル
ゾーンプレートと、前記第１のフレネルゾーンプレート
の集光ビームのみを入射光とし前記移動回折板の移動方
向における受光部間ギャップが集光ビーム径より小さく
かつ受光部の幅が集光ビーム径より広い第１の受光部と
第２の受光部と、前記第２のフレネルゾーンプレートの
集光ビームのみを入射光とし前記移動回折板の移動方向
における受光部間ギャップが集光ビーム径より小さく、
かつ受光部の幅が集光ビーム径より広い第３の受光部と
第４の受光部とを備え、前記第１のフレネルゾーンプレ
ートによる集光ビームの一部が第１の受光部または第２
の受光部上にあるときに、前記第２のフレネルゾーンプ
レートによる集光ビームの一部が前記第３の受光部また
は第４の受光部上にあり、前記第１の受光部と第２の受
光部の出力の差信号と前記第３の受光部と第４の受光部
の出力信号の差信号より所定のパルス幅の信号を作成す
る。

【００９９】あるいは、請求項４記載の発明は、波長λ
ビーム径Ｄの平行光を出射する光源と、前記光源から出
射された光の光軸に対して略垂直でかつ距離ｇを隔てて
互いに平行に設けられており主として±１次の回折光を
通過させるピッチｐの位相格子を有する固定回折板及び
移動回折板と、受光部径がＤ−２ｇλ／ｐ以内に制限さ
れ前記固定回折板及び前記移動回折板からの距離がｐＤ
／（２λ）−ｇ以上になるように設けられた受光器と、
前記移動回折板上に配置され前記光源の光路内を通過す
る第１のフレネルゾーンプレートと第２のフレネルゾー
ンプレートと、前記第１のフレネルゾーンプレートの集
光ビームのみを入射光とし前記移動回折板の移動方向に
おける受光部間ギャップが集光ビーム径より小さくかつ
受光部の幅が集光ビーム径より広い第１の受光部と第２
の受光部と、前記第２のフレネルゾーンプレートの集光
ビームのみを入射光とし前記移動回折板の移動方向にお
ける受光部間ギャップが集光ビーム径より小さく、かつ
受光部の幅が集光ビーム径より広い第３の受光部と第４
の受光部とを備え、前記第１のフレネルゾーンプレート
による集光ビームの一部が第１の受光部または第２の受
光部上にあるときに、前記第２のフレネルゾーンプレー
トによる集光ビームの一部が前記第３の受光部または第
４の受光部上にあり、前記第１の受光部と第２の受光部
の出力の差信号と前記第３の受光部と第４の受光部の出
力信号の差信号より所定のパルス幅の信号を作成する。

【０１００】

【作用】本発明は上記した構成によって、請求項１記載
の発明は、入射瞳径がＤ−２ｇλ／ｐ以内に制限され前
記移動回折板を通過した光軸と平行な回折光を集光レン
ズにより集光し光量を検出することにより、変調度特性
が良く、精度の高い位置検出を行うことができる位置、
角度測定方法を提供できる。

【０１０１】また、請求項２記載の発明は、受光部がＤ
−２ｇλ／ｐ以内に制限され前記固定回折板及び前記移
動回折板からｐＤ／（２λ）−ｇ以上の距離で光を検出
することにより、集光レンズが不要で、変調度特性が良
く、精度の高い位置検出を行うことができる位置、角度
測定方法を提供できる。

【０１０２】また、請求項３記載の発明は、入射瞳径が
Ｄ−２ｇλ／ｐ以内に制限され前記移動回折板を通過し
た光軸と平行な回折光を集光レンズにより集光し光量を
検出することにより、変調度特性が良く、精度の高い位
置検出を行うことができ、さらに移動回折板上に設けら
れた第１のフレネルゾーンプレートと第２のフレネルゾ
ーンプレートによる集光ビームが移動回折板と共に移動
し、第１の受光部と第２の受光部および第３の受光部と
第４の受光部上を走査し、第１の受光部と第２の受光部
の出力の和信号および第３の受光部と第４の受光部の出
力の和信号から、第１のフレネルゾーンプレートによる
集光ビームが第１の受光部または第２の受光部上にある
ことを検出し、第２のフレネルゾーンプレートによる集
光ビームが第３の受光部または第４の受光部上にあるこ
とを検出し、第１の受光部と第２の受光部の出力が等し
くなる移動回折板の位置から第３の受光部と第４の受光
部の出力が等しくなる移動回折板の位置までの距離と、
第１のフレネルゾーンプレート中心から第２のフレネル
ゾーンプレート中心までの距離との差が所定の値である
ことから、第１の受光部と第２の受光部の出力の差信号
と第３の受光部と第４の受光部の差信号の２値化信号の
排他的論理和により所定の幅のパルス信号を得ることに
より移動回折板の基準位置を精度よく検出することがで
きる位置、角度測定装置を提供できる。

【０１０３】また、請求項４記載の発明は、受光部がＤ
−２ｇλ／ｐ以内に制限され前記固定回折板及び前記移
動回折板からｐＤ／（２λ）−ｇ以上の距離で光を検出
することにより、集光レンズが不要で、変調度特性が良
く、精度の高い位置検出を行うことができ、さらに、移
動回折板上に設けられた第１のフレネルゾーンプレート
と第２のフレネルゾーンプレートによる集光ビームが移
動回折板と共に移動し、第１の受光部と第２の受光部お
よび第３の受光部と第４の受光部上を走査し、第１の受
光部と第２の受光部の出力の和信号および第３の受光部
と第４の受光部の出力の和信号から、第１のフレネルゾ
ーンプレートによる集光ビームが第１の受光部または第
２の受光部上にあることを検出し、第２のフレネルゾー
ンプレートによる集光ビームが第３の受光部または第４
の受光部上にあることを検出し、第１の受光部と第２の
受光部の出力が等しくなる移動回折板の位置から第３の
受光部と第４の受光部の出力が等しくなる移動回折板の
位置までの距離と、第１のフレネルゾーンプレート中心
から第２のフレネルゾーンプレート中心までの距離との
差が所定の値であることから、第１の受光部と第２の受
光部の出力の差信号と第３の受光部と第４の受光部の差
信号の２値化信号の排他的論理和により所定の幅のパル
ス信号を得ることにより移動回折板の基準位置を精度よ
く検出することができる位置、角度測定装置を提供でき
る。

【０１０４】

【実施例】（第１実施例） 図１は本発明の第１の実施例の基本構成図を示すもので
ある。図１において、１１は半導体レーザもしくは比較
的可干渉性の高い発光ダイオードよりなる光源、１２は
光源１１より出射された光を平行光にするコリメータレ
ンズである。

【０１０５】１３は、図示の様に断面が矩形波形状の位
相格子を有し、レンズ１２により形成された前記の平行
光の光軸に対して垂直に配置された固定回折板、１４は
断面が矩形波形状の位相格子を有し光軸に対して垂直に
配置され、かつこの光軸に対して垂直方向に移動可能な
移動回折板である。固定回折板１３の位相格子と移動回
折板１４の位相格子とは、互いに同じ周期を有してい
る。

【０１０６】この回折板１３、１４は、図３６に示すよ
うな回転型のものであってもよいし、或いは直線型のも
のであってもよい。

【０１０７】また、この固定回折板１３及び移動回折板
１４の山と谷との段差ｄは、光源１１の波長λに対し
て、従来例と同様に（数１）を満たすように形成されて
いる。また、図１において、１５は移動回折板１４を通
過した光を集光する集光レンズであり、このレンズ１５
の入射瞳径はＤ−２ｇλ／ｐ以内に制限されている。但
し、Ｄはコリメータレンズ１２により平行光化されたビ
ーム径、ｇは固定回折板１３と移動回折板１４との間の
距離、λは光の波長、ｐは回折板に形成された格子のピ
ッチを示している。

【０１０８】また、ｇ＜ｐＤ／（２λ）を満たすよう
に、回折板間の距離が設定されている。１６はレンズ１
５により集光された回折像を電気信号に変えて出力する
受光器である。

【０１０９】移動回折板１４は、図示しないが、通常は
被測定体に固定されて、その被測定体と同一の運動を行
う。従って、固定回折板１３に対する移動回折板の速
度、相対変位等を検出することにより、被測定体の速度
や位置等を検出することができる。

【０１１０】以上のように構成された本実施例につい
て、その動作を説明する。まず、光源１１から出射され
た光は、コリメータレンズ１２により平行光にされた
後、固定回折板１３に対して、略垂直に入射される。

【０１１１】ところで、固定回折板１３の山と谷との段
差ｄは前述したように、（数１）で表わされる関係にな
るように形成されているため、±１次の回折光に大半の
エネルギーが集中する。従って、固定回折板１３に入射
した光は、固定回折板１３によって回折され、±１次の
回折光として出射される。

【０１１２】これらの回折光は、移動回折板１４に入射
した後、さらに回折光として出射される。また、固定回
折板１３同様、この移動回折板１４から出射された回折
光は、±１次の回折光に大半のエネルギーが集中する。

【０１１３】さて、レンズ１５の入射瞳径は前述したよ
うに、Ｄ−２ｇλ／ｐ以内に制限されており、この領域
について図１を用いて説明する。

【０１１４】＋１次の回折光１１０の回折角度はλ／ｐ
（ラジアン）となり、λ／ｐが十分に小さいときには、
＋１次の回折光は距離ｇ離れた位置では、ｇλ／ｐだけ
回折される。同様に−１次回折光１１１もｇλ／ｐだけ
回折される。図中実線で囲まれた領域が＋１次回折光の
領域、破線で囲まれた領域が−１次回折光の領域を示し
ている。

【０１１５】従って、図示のＤ−２ｇλ／ｐの領域は、
±１次の回折光が干渉している領域である。このような
領域に於て、移動回折板１４から出射される光軸に平行
な回折光がレンズ１５により集光され、受光器１６によ
り検出される。

【０１１６】以上のように構成された本実施例は、従来
例と同様に、２倍周波の出力を得られるのみならず変調
度特性が非常に良くなる。この理由を前述したモデルを
用いて説明する。

【０１１７】レンズ１５の入射瞳径がＤ−２ｇλ／ｐ以
内に制限されているので、（数２）、（数３）における
積分範囲は、（−Ｄ／２＋ｇα、Ｄ／２−ｇα）とな
り、＋１次回折光の検出器１６上での複素振幅Ｆ'1は
（数１６）となる。同様にして、−１次回折光の複素振
幅Ｆ'2は（数１７）となる。

【０１１８】

【数１６】

【０１１９】

【数１７】

【０１２０】従って、検出器１６で検出される複素振幅
Ｆ’は（数１８）となる。

【０１２１】

【数１８】

【０１２２】（数１８）において、前述と同様、第１項
のみについて考えることにする。光軸上の点（ω＝０）
に於て振幅が０となる場合（ｋα△ｘ＝π／２、つまり
△ｘ＝ｐ／４）、第１項は０となり光軸近傍では、光が
存在しないことになる。

【０１２３】従って、変調度特性が向上し、精度の良い
位置検出が行えることがわかる。図２はこの場合の変調
特性を示している。この時の変調度は、１．００となっ
た。

【０１２４】以上のように本実施例によれば、レンズ１
５の入射瞳径をＤ−２ｇλ／ｐ以内に制限することによ
り、変調度特性が良く、精度の高い位置検出を行うこと
ができる。

【０１２５】なお、この実施例では、レンズ１５の入射
瞳により開口を制限したが、同径のピンホール等を用い
て制限しても同様の効果が得られることは、言うまでも
ない。

【０１２６】また、モデルでは、解析の都合上集光レン
ズ１５をフーリエ変換レンズとしたが、普通のレンズを
用いて移動回折板１４及び検出器１６を焦点面以外の位
置に置いてもよいことは言うまでもない。

【０１２７】（第２実施例） 図３は本発明の第２の実施例の基本構成図を示すもので
ある。図３において、図中の番号で図１と同一のものは
同一のものを示す。

【０１２８】１０６は、移動回折板１４からの距離がｐ
Ｄ／（２λ）−ｇ以上になるように設けられた受光器で
ある。但し、Ｄはコリメータレンズ２により平行光化さ
れたビーム径、ｇは固定回折板１３と移動回折板１４と
の間の距離、λは光の波長、ｐは回折板のピッチを示し
ている。また、この受光器１０６は、図示の通り、Ｄ−
２ｇλ／ｐの領域幅内の光を受光するものである。

【０１２９】第１実施例と本実施例との異なる点は、第
１実施例では、集光レンズ１５を用いているのに対し
て、本実施例では集光レンズを使用していない点であ
る。

【０１３０】以上のように構成された本実施例につい
て、その動作を説明する。まず、光源１１から出射され
た光は、コリメータレンズ２により平行光にされた後、
固定回折板１３に対して略垂直の方向から固定回折板１
３に入射される。この固定回折板１３を出射した光は、
移動回折板１４に入射した後、回折光として出射され
る。

【０１３１】移動回折板１４から出射される回折光を
（ｎ、ｍ）（但し、ｎは固定回折板３による回折次数、
ｍは移動回折板４による回折次数を各々示す。）として
表わすと、図中ａで示した領域は（−１、＋１）と（＋
１、−１）の領域、ｂは（−１、＋１）の領域、ｃは
（＋１、−１）の領域、ｄは（−１、−１）の領域、ｅ
は（＋１、＋１）の領域を示している。但し、図３にお
いては、図示の都合上、３次の回折光以上の回折光は省
略している。

【０１３２】受光器１０６の受光面は、移動回折板１４
からの距離がｐＤ／（２λ）−ｇ以上になるように設置
され、かつ図示のＤ−２ｇλ／ｐ以内の領域内に制限さ
れているので、領域ａの光だけを検出する。

【０１３３】移動回折板の移動量を受光器からの電気信
号として得るに際して、±１次の回折光の干渉光のみを
受光器に入射させることにより、得られる電気信号の変
調度特性が良くなることを第１実施例において述べた。

【０１３４】本実施例においても、受光器は、±１次回
折光が干渉する領域ａ内の光だけを受光するため、第１
実施例と同様に変調度特性を向上することができる。ま
た、第１実施例と比べて本実施例では、集光レンズを用
いる必要がないため、部品点数を軽減でき、軽量化を実
現できる。

【０１３５】（参考例１） 図４は本発明の参考例１の基本構成図である。図４にお
いて、図中の番号で図１と同一のものは同一のものを示
す。第１実施例に対して本参考例が異なる点は、第１実
施例では、固定回折板１３を用いているのに対し、本参
考例では、３角プリズム１０３を用いていることであ
る。

【０１３６】但し、この３角プリズム１０３を出射した
光の偏角が、移動回折板４の±１次光の回折角λ／ｐと
同じとなるように設計されている。ここで、λは光の波
長、ｐは移動回折板１４の格子ピッチを示している。

【０１３７】本参考例についてその動作を説明する。ま
ず、光源１１から出射された光は、コリメータレンズ２
により平行光にされた後、三角プリズム１０３に対して
略垂直の方向から三角プリズム１０３に入射される。

【０１３８】ところで、３角プリズム１０３は前述した
ように、３角プリズム１０３を出射した光の偏角が、移
動回折板１４の±１次光の回折角と同じとなるように設
計されているので、従来例で述べた図２６の＋１次の回
折光１１０と−１次の回折光１１１と同じ角度で移動回
折板１４に入射することとなる。

【０１３９】ここで、本参考例が、従来例及び第１実施
例と異なるのは、固定回折板１３を使用していない点な
らびに固定回折板１３により生じるような±３次等の高
次の回折光が本質的に発生しないことである。

【０１４０】３角プリズム１０３を出射した光は、移動
回折板１４に入射した後、回折光として出射され、レン
ズ１０５によりこの出射光が受光器１６に集光される。

【０１４１】移動回折板１４を光軸に対して垂直方向に
一定速度で移動させると、従来例及び第１実施例と同様
に、２倍周波の出力が得られるのみならず、固定回折板
１３の代わりに３角プリズム１０３を用いているので、
高次回折光の影響を除去できるため、変調度特性が良
く、精度の高い位置検出を行うことができる。

【０１４２】また、固定回折板１３の代わりに３角プリ
ズム１０３を用いることにより、固定回折板１３による
光損失を除去することができるため、光の利用効率を向
上できる。

【０１４３】なお、本参考例では、集光レンズ１０５を
用いたが、第２実施例と同様に、集光レンズ１０５を用
いずに不要な回折光を取り込まない位置に受光器１７を
設置することにより、同様の効果を得ることができるこ
とは言うまでもない。

【０１４４】また、第１実施例と同様、±１次回折光の
干渉領域を使うことにより更に変調度特性を良くでき
る。さらに、全ての入射光がこのような領域になるよう
に３角プリズム１０３と移動回折板１４との距離を調整
するか、入射ビームを輪帯開口にすることにより、光の
利用効率も良くなることは言うまでもない。

【０１４５】さらに本参考例では第１の固定板３、回転
体１０、第２の固定板７、回転体１０となるよう配置し
たが、回転体１０、第１の固定板３、回転体１０、第２
の固定板７の順に配置してもよい。

【０１４６】（参考例２） 図５は本発明の参考例２の要部構成図であり、１は波長
λのコヒーレント光源、２は光源１１の射出光を平行光
化するコリメータレンズ、３は±１次回折光のみを通過
させる回折格子を有する第１の固定板、４は、第１の固
定板３と等しい回折角の±１次回折光のみを通過させる
回折格子を円周上に持つ回転板で、その回折格子の溝
は、半径方向に形成されている。

【０１４７】５、６は、回転板４の射出光を回転中心に
対し対称な位置に導くミラー、７は第１の固定板３と等
しい回折角の±１次回折光のみを通過させる回折格子を
有する第２の固定板、８は回転板４の射出光を受光する
受光器である。

【０１４８】次に、本参考例の動作を説明する。

【０１４９】図６は、図５においてｙ軸正方向からｘｚ
面をみたときの、光源１１からミラー５までの光路を示
した図である。

【０１５０】光源１１の射出光はコリメータレンズ２に
より平行光化され、第１の固定板３に入射する。第１の
固定板３により光は±１次回折光に分離する。第１の固
定板３より射出された±１次回折光は回転板４に入射
し、それぞれ±１次回折光に分離する。

【０１５１】第１の固定板３と回転板４での±１次回折
光の回折角は等しいので、第１の固定板３でｘ軸正方向
へ回折し、さらに回転板４でｘ軸負方向へ回折した光束
を光束３１とし、また第１の固定板３でｘ軸負方向へ回
折し、さらに回転板４でｘ軸正方向へ回折した光束を光
束３２とすると、光束３１と光束３２は平行となる。

【０１５２】回折格子が入射光に対して移動すると、＋
１次回折、−１次回折光で光の位相の進み遅れが生じる
ことはよく知られている。

【０１５３】つまり、回折格子の格子ピッチをｐ、回折
格子の主断面に平行な方向の移動量をｘとし、光の波長
をλとすると、入射光の光軸に対し回折格子の移動方向
に回折する１次光の位相は、２πｘ／(λｐ)進み、入射
光の光軸に対し回折格子の移動方向と逆方向に回折する
１次光の位相は、２πｘ／(λｐ)遅れる。

【０１５４】したがって、回転板４の回転角をθとし、
図６で回転板４の回折格子がｘ軸正方向に移動する向き
を回転角θの正方向とし、回転板４上の回折格子の分割
数をＮとし、回転板４中心から回転板４上のビーム照射
位置までの距離をｒとすると、光束３１と光束３２の光
の複素振幅は(数１９)に示すようになる。

【０１５５】

【数１９】

【０１５６】ただし、ｉは虚数単位(√(−１))、Ａ１、
Ａ２は光の振幅、α１、α２は初期位相を示す定数であ
る。

【０１５７】回転板４により位相変調を受けた光束３１
と光束３２は、ミラー５により回転板４の回転中心に対
して対称な位置に導かれる。

【０１５８】図７は、図５においてｙ軸正方向から見た
ｘｚ平面での、ミラー６から受光器８までの光路を示し
た図である。ミラー６を射出した光束３１、光束３２は
平行であり、第２の固定板７によりそれぞれ±１次回折
光に分離する。

【０１５９】光束３１が第２の固定格子７でｘ軸負方向
へ回折し、さらに回転板４でｘ軸正方向へ回折した光束
を光束３３とし、また光束３２が第２の固定板７でｘ軸
正方向へ回折し、さらに回転板４でｘ軸負方向へ回折し
た光束を光束３４とすると、光束３３、光束３４は平行
で互いに重なり干渉を起こす。

【０１６０】回転板４が正方向に回転したとすると、図
７での回転板４の移動方向はｘ軸負方向であるので、光
束３３、光束３４の複素振幅は(数２０)に示すようにな
る。

【０１６１】

【数２０】

【０１６２】また、光束３３と光束３４の干渉光強度を
求めると(数２１)に示すようになる。

【０１６３】

【数２１】

【０１６４】受光器８は(数２１)で表される光強度を検
出する。(数２１)より回転板４の１回転により４Ｎパル
ス、すなわち回転板上の回折格子の分割数の４倍のパル
スが得られることがわかる。

【０１６５】次に、回転板４に偏心εが生じた場合の累
積誤差について説明する。偏心があると、図３３で示し
た様に、注目点（図３３の点６２）について、その回転
角θと回転板中心に対する回転角θaが異なる。θaは、
従来例での説明と同様にθa＝θ＋(ε／ｒ)cosθとな
る。したがって、光束３１、光束３２の複素振幅は(数
２２)に示すようになる。

【０１６６】

【数２２】

【０１６７】回転板４の回転中心に対する、この注目点
の対称点については、θb＝θ−(ε／ｒ)cosθとなるの
で、光束３３、光束３４の複素振幅は(数２３)に示すよ
うになる。

【０１６８】

【数２３】

【０１６９】光束３３と光束３４の干渉強度、すなわち
受光器８での受光強度は(数２４)に示すようになる。

【０１７０】

【数２４】

【０１７１】（数２４）には偏心εを含む項がないの
で、偏心による累積誤差がなく、さらに光強度の変動も
生じないことがわかる。

【０１７２】以上、位相格子を有する第１の固定板と回
転板により互いに平行光化され、かつ位相変調された±
１次回折光を、回転板の回転中心に対称な位置において
再度位相変調させ、第２の固定板により±１次回折光を
干渉させることにより、回転板４に偏心が生じた場合で
も、光強度の変動の少ない、累積誤差がない角度検出が
行える。

【０１７３】したがって、高精度な回転板の組立調整が
不要となるのでコストダウンが図れ、小型化、高分解能
化が容易に行える。

【０１７４】また、本参考例を、例えば図３６に示す様
な回転型の構成に適用した場合、回転軸に加わる負荷に
よる軸偏心に対しても強くなるため、軸受けの小型軽量
化が可能となる。

【０１７５】なお、第１の固定板３の±１次回折光が回
転板４上で完全に分離するよう第１の固定板３と回転板
４との距離を離し、第１の固定板３と回転板４との距離
を第１の固定板３と回転板４との距離と等しくし、光束
３３と光束３４のみを受光器８で受光することにより高
い変調度の信号を得ることができる。

【０１７６】なお、本参考例では反射光学手段としてミ
ラー５、６を用いたがプリズムを用いてもよい。

【０１７７】また本参考例では、光路上、光源１から順
に第１の固定板３、回転板４、ミラー５、ミラー６、第
２の固定板７、回転板４となるよう配置したが、回転板
４、第１の固定板３、ミラー５、ミラー６、回転板４、
第２の固定板７の順に配置してもよい。

【０１７８】（参考例３） 図８は本発明の参考例３の模式図であり、図８において
図５と同一の符号の部材は同一機能部材である。

【０１７９】参考例２と本参考例３の違いは、参考例２
では、第２の固定板７に回折格子を有するものを用いた
が、本参考例３では３角プリズム９を用いている点であ
る。そして、３角プリズム９の射出の偏角は、第１の固
定板３の±１次回折光の回折角と等しくなるように設定
されている。

【０１８０】以上のように構成された本参考例につい
て、図９を用いてその動作を説明する。

【０１８１】光源１からミラー６までの動作は参考例２
と同様である。ミラー６を射出した光束３１、光束３２
は３角プリズム９へ入射する。３角プリズム９により光
束３１はｘ軸負方向に屈折し、光束３２はｘ軸正方向に
屈折する。

【０１８２】このときの入射光に対する射出光の偏角
は、第１の固定板３での±１次回折光の回折角と等しく
なるよう設定されているので、参考例２と同様に光束３
３、３４は回転板４で位相変調を受け、平行光となり、
干渉を起こす。

【０１８３】光束３３、光束３４の干渉強度は前記(数
２４)に示すようになり、回転板４の格子分割数の４倍
のパルスが得られ、回転板４に偏心が生じた場合でも、
光強度の変動が少ない、信号累積誤差の影響のない角度
検出が行え、参考例２と同様の効果が得られる。

【０１８４】さらに、この参考例３では参考例２の第２
の固定板７を用いた場合に生じる光束３３、光束３４の
干渉に寄与しない回折光を減少させることができるた
め、光利用効率を向上できる。このため、光源の発熱を
減少させることができ、光源の長寿命化が可能となる。

【０１８５】なお、本参考例では反射光学手段としてミ
ラー５、６を用いたがプリズムを用いてもよい。

【０１８６】また本参考例では３角プリズム９を用いた
が、偏角が同じであればプリズムの形状は３角形以外で
もよい。

【０１８７】また本参考例では、第１の固定板３、回転
板４、ミラー５、ミラー６、３角プリズム９、回転板４
となるよう配置したが、回転板４、第１の固定板３、ミ
ラー５、ミラー６、回転板４、３角プリズム９の順に配
置してもよい。

【０１８８】（参考例４） 図１０は本発明の参考例４の模式図であり、図１０にお
いて、図５と同一符号の部材は同一機能部材である。１
０は第１の固定板３と回折角が等しい±１次回折光のみ
を通過させる回折格子を円筒上に有する回転体であり、
光源１の光軸上に回転体１０の回転中心がある。

【０１８９】参考例２および参考例３と、本参考例の違
いは、参考例２および参考例３では、円板上に±１次回
折光のみを通過させる回折格子を有する回転板４を用い
ていたが、本参考例では、円筒面上に±１次回折光のみ
を通過させる回折格子を有する回転体１０を用い、反射
光学手段を不要としてる点である。

【０１９０】以上のように構成された本参考例につい
て、図１１を用いてその動作を説明する。

【０１９１】光源１の射出光は、コリメータレンズ２に
より平行光化され、第１の固定板３に入射する。第１の
固定板３によって、その射出光は、±１次の回折光に分
離されて回転体１０に入射する。

【０１９２】本参考例においても、回転体１０の幾何学
中心と回転中心とに誤差がある場合には、回転体１０の
回転角θaは、参考例２および参考例３での回転板４の
回転角θa＝θ＋(ε／ｒ)cosθと同じである。

【０１９３】回転体１０の円筒上に形成された回折格子
による±１次回折光の回折角は、第１の固定板３による
回折光の回折角と等しいので、参考例２と同様に光束４
１、光束４２は平行で、回転体１０の回転により位相変
調を受ける。

【０１９４】光束４１が第２の固定板７でｘ軸負方向に
回折され、さらに回転体１０でｘ軸正方向に回折された
光束を光束４３とし、光束４２が第２の固定板７でｘ軸
正方向に回折され、さらに回転体１０でｘ軸負方向に回
折された光束を光束４４とすると、光源１の光軸上に回
転体１０の回転中心があるので、光束４３、４４は、参
考例２および参考例３の光束３３、３４と同様に、回転
体１０で位相変調を受け、干渉強度が前記の(数２４)に
示すように変化し、回転体１０に偏心が生じた場合でも
光強度の変動が少なく、信号累積誤差のない角度検出が
行えるため、参考例２および参考例３と同様な効果を挙
げられる。

【０１９５】さらに、光源１から受光器８までを直線上
に配置できるため、組立調整が容易になり、反射光学手
段が不要であるので小型化、軽量化が可能である。

【０１９６】さらに本参考例では、図１０、図１１にお
いて第１の固定板３および第２の固定板７を平板とした
が、円筒の一部としてもよく、図１１において回折格子
を回転体１０の外周に設けたが、内周に設けてもよい。

【０１９７】（参考例５） 本発明の参考例５について図１２〜図１６を参照しなが
ら説明する。

【０１９８】図１２は本参考例の構成を示す斜視図を示
すものである。図１２において、２０１はレーザ光源で
あり、このレーザ光源は、射出光を平行光化するコリメ
ータレンズ２０２の前側焦点位置に配置されている。

【０１９９】ｚ軸を、図示の通り、コリメータレンズ２
０２の光軸に一致させてとる。コリメータレンズ２０２
の射出光内を光軸に垂直方向に通過する移動体２０３上
に集光レンズ２０４を配置し、ｘ軸を移動体の移動方向
にとる。

【０２００】そして、集光レンズ２０４の焦点の軌跡上
に第１の受光部２０５と第２の受光部２０６を配置し、
第１の受光部２０５と第２の受光部２０６の移動体２０
３の移動方向のギャップは受光部２０５、２０６上での
集光ビーム径より小さく、第１の受光部２０５および第
２の受光部２０６のｘ軸方向の幅は、集光レンズ２０４
による受光部２０５、２０６上での集光ビーム径よりも
大きくする。

【０２０１】移動体２０３上には、集光レンズ２０４の
入射瞳外を照射するコリメータレンズ２０２の射出光を
遮光する遮光部２０７を設けている。この遮光部２０７
によって、移動体２０３の移動範囲内でコリメータレン
ズ２０２の射出光が受光部２０５、２０６を照射するの
を防いでいる。

【０２０２】信号処理手段２０８は、第１の受光部２０
５の出力と第２の受光部２０６の出力を入力とし、移動
体２０３の基準位置信号を出力するようになっている。

【０２０３】図１３は信号処理手段２０８の構成を示す
ブロック図である。和信号作成回路２０９は、第１の受
光部２０５の出力信号Ａと第２の受光部２０６の出力信
号Ｂの和信号Ｃを作成し、差信号作成回路２１０は信号
Ａと信号Ｂの差信号Ｄを作成する。

【０２０４】２値化回路２１１は、信号Ｃの２値化信号
Ｅを出力する。すなわち入力信号が所定のしきい値レベ
ルより低いときはｌｏｗレベルを、高いときはｈｉレベ
ルの信号を出力する。

【０２０５】また、２値化回路２１２は、信号Ｄを入力
としヒステリシスを設けて２値化を行い信号Ｆを出力す
る。すなわち入力信号の立ち上がり時はしきい値Ｖｃ１
で２値化を行い、入力信号の立ち下がり時はしきい値−
Ｖｃ１で２値化を行う。

【０２０６】しきい値Ｖｃ１は信号Ｄに含まれるノイズ
の最大振幅より大きな値に設定する。立ち下がりエッジ
トリガのワンショットマルチバイブレータ２１３は、信
号Ｆがｈｉの期間に信号Ｅの立ち下がりエッジがあれ
ば、一定幅のパルス信号Ｇを出力し、立ち上がりエッジ
トリガのワンショットマルチバイブレータ２１４は信号
Ｆがｈｉの期間に信号Ｅの立ち上がりエッジがあれば一
定幅のパルス信号Ｈを出力する。論理和素子２１５は信
号Ｇと信号Ｈの論理和信号Ｉを出力する。

【０２０７】以上のように構成された本参考例につい
て、以下その動作を説明する。図１４は移動体２０３が
正方向へ移動するときの信号処理手段の信号波形であ
る。

【０２０８】移動体２０３の移動により集光レンズ２０
４の入射瞳にコリメータレンズ２０２の射出光が入る
と、集光レンズ２０４の焦点に光が集光する。集光レン
ズ２０４の焦点位置は、コリメータレンズ２０２の射出
光と平行で集光レンズ２０４の中心を通る軸上にある。

【０２０９】従って、移動体２０３のｘ軸方向への移動
量と集光レンズ２０４の焦点位置の移動量は等しくな
る。第１の受光部２０５、第２の受光部２０６は集光レ
ンズ２０４の焦点の軌跡上に配置されているので、移動
体２０３の移動により集光ビームが受光部２０５、２０
６上を走査する。

【０２１０】次に第１の受光部２０５、第２の受光部２
０６の出力信号Ａ、Ｂから基準位置信号を作成する方法
について説明する。

【０２１１】集光ビームが第１の受光部２０５から第２
の受光部２０６へ移動するとき、差信号Ｄは正から負に
変化し、集光ビームが第２の受光部２０６から第１の受
光部２０５へ移動するときは差信号Ｄは負から正へと変
化する。

【０２１２】信号Ｄが０となるのは、第１の受光部２０
５と第２の受光部２０６の受光部光量が等しくなるとき
であるので、集光ビームが受光部２０５、２０６上にあ
れば、信号Ｄが０となるのは１ヵ所のみである。

【０２１３】従って、集光ビームが受光部上にあり、か
つ信号Ｄが０となる移動体２０３の位置を基準位置とす
ることができる。

【０２１４】このとき光源の強度変化により集光ビーム
の強度が変化すると、受光部２０５、受光部２０６の出
力は変化するが、その比は一定であるので、信号Ｄが０
となる集光ビームの位置すなわち移動体２０３の位置は
変化しない。

【０２１５】さらに、信号Ｄは信号Ａ、信号Ｂの差信号
であるので、第１の受光部２０５、第２の受光部２０６
への散乱光によるノイズなど信号Ａ、信号Ｂへの同相ノ
イズは打ち消しあう。

【０２１６】また移動体の変位に対する信号Ｄの０付近
での信号変化率は、第１の受光部２０５または第２の受
光部６単独での変化率の約２倍となる。従って、信号Ｄ
に含まれるノイズによる基準位置信号の誤差を軽減する
ことができる。

【０２１７】信号Ｄが０となる点を検出するために２値
化回路２１２により信号Ｆを作成する。信号Ｆの立ち上
がりエッジは、移動体３がｘ軸負方向から正方向に移動
し基準位置に達したことを示し、立ち下がりエッジは、
移動体２０３がｘ軸正方向から負方向に移動し基準位置
に達したことを示す。

【０２１８】第１の受光部２０５と第２の受光部２０６
の和信号Ｃは、受光部２０５、２０６が受ける光量の和
を示す。第１の受光部２０５と第２の受光部２０６のギ
ャップは受光部上での集光ビーム径より小さいので、集
光ビームが受光部上にあるとき、信号Ｃは０以上の値を
示し、集光ビームが受光部外であれば０となる。

【０２１９】また、第１の受光部２０５、第２の受光部
２０６の受光量が等しいとき、信号Ｃは極小値ｓをと
る。和信号Ｃに含まれるノイズを考慮し、しきい値を０
ｖとｓとの間に設定した２値化回路２１１により、信号
Ｅが得られる。信号Ｅにより集光ビームが受光部２０
５、２０６上にあることを検出できる。

【０２２０】従って、信号Ｅと信号Ｆを用い、信号Ｆか
ｈｉの期間における信号Ｅのエッジにより移動体２０３
の基準位置を表すことができる。さらに、信号Ｅが立ち
上がりエッジであれば、移動体２０３が正方向に基準位
置を通過したことが、立ち下がりエッジであれば、負方
向に通過したことが分かる。

【０２２１】次に、移動体２０３が基準位置を正方向ま
たは、負方向に通過したときにパルス信号を得る方法に
ついて図１５を用いて説明する。

【０２２２】信号Ｆを、立ち下がりエッジトリガのワン
ショットマルチバイブレータ２１３および立ち上がりエ
ッジのワンショットマルチバイブレータ２１４に入力
し、信号Ｅがｈｉの期間にエッジがあると所定幅のパル
スを出力する。

【０２２３】図１５（ａ）に示すように移動体２０３が
基準位置を正方向に通過するときは、信号Ｆには立ち上
がりエッジが生じ、ワンショットマルチバイブレータ２
１４よりパルス信号Ｈが出る。

【０２２４】一方、図１５（ｂ）に示すように移動体３
が基準位置を負方向に通過するときは、信号Ｆには立ち
下がりエッジが生じ、ワンショットマルチバイブレータ
２１３よりパルス信号Ｇが出る。従って、信号Ｈと信号
Ｇの論理和信号Ｉをとれば、信号Ｉの立ち上がりエッジ
により移動体２０３が基準位置に達したことを検出でき
る。

【０２２５】なお、集光レンズ２０４は振幅型または位
相型のフレネルゾーンプレートを用いてもよい。また、
集光レンズ入射瞳外のコリメータレンズ２０２の射出光
が受光部に入るのを防ぐため遮光部２０７を設けたが、
図１６に示すように集光レンズ２０４に軸外焦点レンズ
を用い、焦点がコリメータレンズ２０２の光路外なるよ
うにし、コリメータレンズ射出光が受光部を直接照射し
ないようにしてもよい。

【０２２６】また、集光ビーム径を小さくするため受光
部２０５、２０６を集光レンズ２０４の後側焦点位置に
配置したが、焦点位置以外でもよい。これは、集光レン
ズ２０４の集光ビーム中心が、コリメータレンズ２０２
の射出光に平行で集光レンズ２０４の中心をとおる軸上
にあるため、移動体２０３のｘ軸方向移動量と集光ビー
ム中心の移動量が等しくなるためである。

【０２２７】また、第１の受光部２０５と第２の受光部
２０６はｚ軸に対して垂直な面内にあるとしたが、ｚ軸
に対して傾いた面上に配置してもよい。

【０２２８】また、第１の受光部２０５と第２の受光部
２０６は同一面に配置したが、異なった面上に配置して
もよい。

【０２２９】また、光源２０１にレーザ光源を用いた
が、ＬＥＤなどを用いてもよい。

【０２３０】以上のように本参考例によれば、光源２０
１の射出光を移動体２０３上に配置された集光レンズ２
０４により集光し、第１の受光部２０５と第２の受光部
２０６で検出し、第１の受光部２０５と第２の受光部２
０６の差信号をとることにより、光源２０１の射出強度
の変動の影響を受けず、ノイズの影響による位置検出精
度の劣化の少ない基準位置の検出を行うことができる。

【０２３１】（参考例６） 以下本発明の参考例６について図１７〜図１９を参照し
ながら説明する。なお、参考例５で説明したものと同一
構成部材には同一番号を用いる。

【０２３２】図１７は本発明の参考例６の斜視図であ
る。図１７において、２０１はレーザ光源、２０２はコ
リメータレンズ、２０３は移動体であり、参考例５と同
様なものである。

【０２３３】移動体２０３上に第１の集光レンズ２１６
と第２の集光レンズ２１７が配置され、コリメータレン
ズ２０２の射出光内を通過する。集光レンズ２１６の焦
点の軌跡上に第１の受光部２１８および第２の受光部２
１９を集光レンズ２１７の焦点の軌跡外に配置されてい
る。

【０２３４】第１の受光部２１８と第２の受光部２１９
の移動体２０３の移動方向のギャップは、受光部２１
８、２１９上での集光レンズ２１６による集光ビーム径
より小さい。

【０２３５】また、集光レンズ２１７の焦点の軌跡上で
あって集光レンズ２１６の焦点の軌跡外において、第３
の受光部２２０および第４の受光部２２１を配置してい
る。

【０２３６】第３の受光部２２０と第４の受光部２２１
の移動体移動方向のギャップは、受光部上での集光レン
ズ２１７による集光ビーム径より小さい。

【０２３７】受光部２１８および受光部２１９のｘ軸方
向の幅は、集光レンズ２１６による受光部での集光ビー
ム径より大きく、受光部２２０および受光部２２１のｘ
軸方向の幅は、集光レンズ２１７による受光部での集光
ビーム径より大きい。

【０２３８】また、受光部２１８と２２０間のギャップ
は少なくとも受光部での集光レンズ２１６による集光ビ
ーム径より小さく、受光部２２０と２２１間のギャップ
は少なくとも受光部での集光レンズ２１７による集光ビ
ーム径より小さく、移動体２０３の移動方向における第
１と第２の受光部出力が等しくなる移動体２０３の位置
から第３の受光部と第４の受光部出力が等しくなる移動
体位置までの距離と、第１の集光レンズ２１６中心から
第２の集光レンズ２１７中心までの距離の差を所定の値
とし、第１の集光レンズ２１６による集光ビームの一部
が第１または第２の受光部２１８、２１９上にあるとき
に、前記第２の集光レンズ２１７による集光ビームの一
部が第３または第４の受光部２２０、２２１上にある。

【０２３９】２２２は信号処理手段であり、受光器２１
８、２１９、２２０、２２１の出力を入力とし、位置検
出信号を出力する。

【０２４０】遮光部２２３は移動体上に設けられ、集光
レンズ２１６、２１７の入射瞳外を照射するコリメータ
レンズ２０２の射出光を遮光し、移動体２０３の移動範
囲内でコリメータレンズ２０２の射出光が受光器２１
８、２１９、２２０、２２１を照射するのを防ぐように
なっている。

【０２４１】図１８は信号処理手段２２２の構成を示す
ブロック図である。和信号作成回路２２４は、受光部２
１８の出力信号Ａ１と受光部２１９の出力信号Ｂ１の和
信号Ｃ１を作成し、差信号作成回路２２５は、信号Ａ１
と信号Ｂ１の差信号Ｄ１を作成する。

【０２４２】２値化回路２２６は信号Ｃ１の２値化信号
Ｅ１を出力する。また２値化回路２２７は信号Ｄ１を入
力とし、ヒステリシスを設けて２値化を行い信号Ｆ１を
出力する。ヒステリシスは信号Ｄ１に含まれるノイズの
最大振幅より大きな値に設定する。

【０２４３】和信号作成回路２２８は、受光部２２０の
出力信号Ａ２と受光部２１９の出力信号Ｂ２の和信号Ｃ
２を作成し、差信号作成回路２２９は、信号Ａ２と信号
Ｂ２の差信号Ｄ２を作成する。

【０２４４】２値化回路２３０は信号Ｃ２の２値化信号
Ｅ２を出力する。また２値化回路２３１は信号Ｄ２を入
力とし、ヒステリシスを設けて２値化を行い信号Ｆ２を
出力する。ヒステリシスは信号Ｄ２に含まれるノイズの
最大振幅より大きな値に設定する。

【０２４５】排他的論理素子２３２は信号Ｆ１と信号Ｆ
２を入力とし、その排他論理和信号Ｊを作成する。また
論理積素子２３３は信号Ｅ１と信号Ｅ２と信号Ｊを入力
としその論理積信号Ｋを作成するようになっている。

【０２４６】以上のように構成された参考例６につい
て、以下その動作を説明する。

【０２４７】図１７に示すように、移動体２０３の移動
により集光レンズ２１６および集光レンズ２１７の入射
瞳にコリメータレンズ２０２の射出光が入ると、集光レ
ンズの焦点に光が集光する。集光レンズの焦点位置は、
コリメータレンズ射出光と平行な、集光レンズの中心を
通る軸上にある。

【０２４８】従って、移動体２０３のｘ軸方向への移動
量と集光レンズ２１６および２１７の焦点位置の移動量
は等しくなる。受光部２１８、受光部２１９は集光レン
ズ２１６の焦点の軌跡上にあり、受光部２２０、受光部
２２１は集光レンズ２１７の焦点の軌跡上に配置されて
いるので、移動体２０３の移動により集光ビームが受光
部上を走査することになる。

【０２４９】次に、信号Ａ１、信号Ｂ１、信号Ａ２、信
号Ｂ２から基準位置信号を作成する方法について図１９
を用いて説明する。図１９は移動体が正方向へ移動した
ときの信号処理手段２２２の信号波形である。

【０２５０】集光レンズ２１６による集光ビームが受光
部２１８から受光部２１９へ移動するとき、それぞれの
受光部から信号Ａ１、信号Ｂ１が得られる。このとき差
信号Ｄ１は負から正に変化する。信号Ｄ１に含まれるノ
イズを防ぐためにヒステリシスをもたせて２値化を行う
と信号Ｆ１となる。

【０２５１】同様に、集光レンズ２１７による集光ビー
ムが受光部２２０から受光部２２１へ移動するとき、そ
れぞれの受光部から信号Ａ２、信号Ｂ２が得られ、信号
Ｄ２を２値化することにより信号Ｆ２が得られる。

【０２５２】信号Ｆ１の立ち上がりから信号Ｆ２の立ち
上がりまで、または信号Ｆ２の立ち上がりから信号Ｆ１
の立ち上がりまでの移動体２０３の移動距離は、移動体
２０３の移動方向における第１と第２の受光部出力が等
しくなる移動体２０３の位置から第３と第４の受光部出
力が等しくなる移動体位置までの距離と、第１の集光レ
ンズ２１６による集光ビームの中心から第２の集光レン
ズ２１７による集光ビームの中心までの距離の差で与え
られる。

【０２５３】従って、集光レンズ２１６および集光レン
ズ２１７による集光ビームが受光部上にある場合に、信
号Ｆ１と信号Ｆ２の排他的論理和をとることにより移動
体２０３の基準位置信号として所定のパルス幅の信号Ｊ
を得ることができる。

【０２５４】次に、信号Ａ１とＢ１の和信号Ｃ１および
信号Ａ２と信号Ｂ２の和信号Ｃ２をそれぞれ２値化し、
信号Ｅ１、Ｅ２を得る。信号Ｅ１、Ｅ２より集光ビーム
が受光部上にあることが検出できるので、信号Ｊとの論
理積をとることにより移動体２０３の位置検出信号Ｋが
得られる。

【０２５５】信号Ｋのエッジは、差信号Ｄ１、差信号Ｄ
２の０点より得られるため、光源２０１の強度変動の影
響を受けない。さらに、信号Ｄ１は信号Ａ１、Ｂ１の差
信号、信号Ｄ２は信号Ａ２、Ｂ２の差信号であるので、
受光部に入る散乱光によるノイズなどの同相ノイズは打
ち消しあう。

【０２５６】また、移動体２０３のｘ軸方向の変位に対
して、信号Ｄ１、信号Ｄ２の０点近傍での信号変化率
は、信号Ａ１、Ｂ１、Ａ２、Ｂ２単独の場合に対して約
２倍となる。従って、ノイズによる位置検出誤差の影響
を軽減することができる。よって、信号Ｋは正確な所定
のパルス幅の基準信号とる。

【０２５７】なお、集光レンズ２１６、２１７は振幅型
または位相型のフレネルゾーンプレートを用いてもよ
い。また、集光レンズ入射瞳外のコリメータレンズ２０
２の射出光が受光部に入るのを防ぐため遮光部２２３を
設けたが、集光レンズ２１６、２１７に軸外焦点レンズ
を用い、焦点がコリメータレンズ２０２の光路外になる
ようにし、コリメータレンズ射出光が受光部を直接照射
しないようにしてもよい。

【０２５８】また、集光ビーム径を小さくするため受光
部２１８、２１９、２２０、２２１を集光レンズ２１
６、２１７の後側焦点位置に配置したが、焦点位置以外
でもよい。これは、焦点レンズ２１６、２１７の集光ビ
ーム中心が、コリメータレンズ２の射出光に平行で集光
レンズ２１６、２１７の中心を通る軸上にあるため、移
動体２０３のｘ軸方向移動量と集光ビーム中心の移動量
が等しくなるためである。

【０２５９】また、受光部２１８、２１９、２２０、２
２１はｚ軸に対して垂直な面内にあるとしたが、ｚ軸に
対して傾いた面上に配置してもよい。

【０２６０】また、受光部２１８、２１９、２２０、２
２１は同一面に配置したが、異なった面上に配置しても
よい。

【０２６１】また、光源１にレーザ光源を用いたが、Ｌ
ＥＤなどを用いてもよい。

【０２６２】以上、本参考例によれば、光源からの射出
光を移動体上の２つのレンズにより第１と第２の集光ビ
ームを形成し、第１の集光ビームを第１と第２の受光部
で検出し、第２の集光ビームを第３と第４の受光部で検
出し、第１の受光部と第２の受光部の出力の差信号と第
３の受光部と第４の受光部の出力の差信号よりパルス信
号を作成することにより、光源の射出光強度の変動に影
響されず、ノイズによる位置検出精度の劣化の少ない所
定のパルス幅の基準位置信号を得ることができる。

【０２６３】（参考例７） 図２０は本発明の参考例７の基本構成図を示すものであ
り、図２１は光検出器の構成を示すものである。

【０２６４】まず、Ａ／Ｂ相信号出力部についてその構
成を説明する。図２０において、１１は半導体レーザも
しくは比較的可干渉性の高い発光ダイオードよりなる光
源、１２は光源１１より出射された光を平行光にするコ
リメータレンズ、３１３は矩形波形状の断面の位相格子
を有し光軸に対して垂直に配置された固定回折板、３１
４は矩形波形状の断面の位相格子と、第１のフレネルゾ
ーンプレート２１６と第２のフレネルゾーンプレート２
１７とを有し、光軸に対して垂直に配置されかつ垂直方
向に移動可能な移動回折板であって、固定回折板３１３
の位相格子と移動回折板３１４の位相格子とは互いに同
じ周期を有している。

【０２６５】また、この固定回折板３１３及び移動回折
板３１４の山と谷との段差ｄは、光源１１の波長λに対
して、従来例と同様に（数１）の関係を満たすように形
成されている。

【０２６６】また、同図において、１５は移動回折板３
１４を通過した光を集光する集光レンズであり、このレ
ンズ１５の入射瞳径はＤ−２ｇλ／ｐ以内に制限されて
いる。但し、Ｄはコリメータレンズ１２により平行光化
されたビーム径、ｇは固定回折板３１３と移動回折板４
との間の距離、λは光の波長、ｐは回折板のピッチを示
している。

【０２６７】また、ｇ＜ｐＤ／（２λ）を満たすよう
に、回折板３１３、３１４間の距離が設定されている。

【０２６８】３１６は、光検出器であり、受光部１６、
２１８、２１９、２２０、２２１が配置されている。１
６は、レンズ１５により集光された回折像を電気信号に
変えて出力する受光部である。光検出器３１６の詳細構
成は、図２１に示す通りである。

【０２６９】つぎに、Ｚ相信号出力部についてその構成
を説明する。

【０２７０】フレネルゾーンプレート２１６の焦点の軌
跡上に第１の受光部２１８および第２の受光部２１９を
フレネルゾーンプレート２１７の焦点の軌跡外に配置さ
れている。

【０２７１】第１の受光部２１８と第２の受光部２１９
の移動回折板移動方向のギャップは受光部２１８、２１
９上でのフレネルゾーンプレート２１６による集光ビー
ム径より小さい。

【０２７２】また、フレネルゾーンプレート２１７の焦
点の軌跡上であって且つフレネルゾーンプレート２１６
の焦点の軌跡外に第３の受光部２２０および第４の受光
部２２１を配置している。

【０２７３】第３の受光部２２０と第４の受光部２２１
の移動回折板移動方向のギャップは受光部上でのフレネ
ルゾーンプレート２１７による集光ビーム径より小さ
い。

【０２７４】受光部２１８および受光部２１９のｘ軸方
向の幅は、フレネルゾーンプレート２１６による受光部
での集光ビーム径より大きく、受光部２２０および受光
部２２１のｘ軸方向の幅は、フレネルゾーンプレート２
１７による受光部での集光ビーム径より大きい。

【０２７５】また、受光部２１８と２２０間のギャップ
は、少なくとも受光部でのフレネルゾーンプレート２１
６による集光ビーム径より小さく、受光部２２０と２２
１間のギャップは、少なくとも受光部でのフレネルゾー
ンプレート２１７による集光ビーム径より小さく、移動
回折板３１４の移動方向における第１と第２の受光部出
力が等しくなる移動回折板３１４の位置から第３の受光
部と第４の受光部出力が等しくなる移動回折板位置まで
の距離と、第１のフレネルゾーンプレート２１６中心か
ら第２のフレネルゾーンプレート２１７中心までの距離
の差を所定の値とし、第１のフレネルゾーンプレート２
１６による集光ビームの一部が第１または第２の受光部
２１８、２１９上にあるときに、前記第２のフレネルゾ
ーンプレート２１７による集光ビームの一部が第３また
は第４の受光部２２０、２２１上にある。

【０２７６】２２２は信号処理手段であり、受光器２１
８、２１９、２２０、２２１の出力を入力とし、位置検
出信号を出力する。遮光部２２３は移動回折板上に設け
られ、フレネルゾーンプレート２１６、２１７の入射瞳
外を照射するコリメータレンズ１２の射出光を遮光し、
移動回折板３１４の移動範囲内でコリメータレンズ１２
の射出光が受光器２１８、２１９、２２０、２２１を照
射するのを防ぐようになっている。

【０２７７】図１８に示すように、和信号作成回路２２
４は受光部２１８の出力信号Ａ１と受光部２１９の出力
信号Ｂ１の和信号Ｃ１を作成し、差信号作成回路２２５
は信号Ａ１と信号Ｂ１の差信号Ｄ１を作成する。

【０２７８】２値化回路２２６は信号Ｃ１の２値化信号
Ｅ１を出力する。また２値化回路２２７は信号Ｄ１を入
力とし、ヒステリシスを設けて２値化を行い信号Ｆ１を
出力する。ヒステリシスは信号Ｄ１に含まれるノイズの
最大振幅より大きな値に設定する。

【０２７９】和信号作成回路２２８は受光部２２０の出
力信号Ａ２と受光部２１９の出力信号Ｂ２の和信号Ｃ２
を作成し、差信号作成回路２２９は信号Ａ２と信号Ｂ２
の差信号Ｄ２を作成する。

【０２８０】２値化回路２３０は、信号Ｃ２の２値化信
号Ｅ２を出力する。また２値化回路２３１は、信号Ｄ２
を入力とし、ヒステリシスを設けて２値化を行い信号Ｆ
２を出力する。

【０２８１】ヒステリシスは信号Ｄ２に含まれるノイズ
の最大振幅より大きな値に設定する。排他的論理素子２
３２は信号Ｆ１と信号Ｆ２を入力としその排他論理和信
号Ｊを作成する。

【０２８２】また論理積素子２３３は信号Ｅ１と信号Ｅ
２と信号Ｊを入力としその論理積信号Ｋを作成するよう
になっている。

【０２８３】以上のように構成された本参考例につい
て、まずＡ／Ｂ相信号出力部の動作について説明する。

【０２８４】光源１１から出射された光は、コリメータ
レンズ１２により平行光にされた後、固定回折板３１３
に対して略垂直の角度で固定回折板３１３に入射され
る。

【０２８５】ところで、固定回折板３１３の山と谷との
段差ｄは前述したように、（数１）で表わされる関係に
なるように形成されているため、±１次の回折光に大半
のエネルギーが集中する。従って、固定回折板３１３に
入射した光は、固定回折板３１３によって回折され、±
１次の回折光として出射される。

【０２８６】これらの回折光は、移動回折板３１４に入
射した後、さらに回折光として出射される。また、固定
回折板３１３同様、この移動回折板３１４から出射され
た回折光は、±１次の回折光に大半のエネルギーが集中
する。

【０２８７】レンズ１５の入射瞳径は前述したように、
Ｄ−２ｇλ／ｐ以内に制限されている。

【０２８８】次に、この領域について図１を用いて説明
する。＋１次の回折光１１０はλ／ｐとなる。λ／ｐが
十分に小さいときには、＋１次の回折光は距離ｇ離れた
位置では、ｇλ／ｐだけ回折される。

【０２８９】同様に−１次回折光１１１もｇλ／ｐだけ
回折される。図中実線で囲まれた領域が＋１次回折光の
領域、破線で囲まれた領域が−１次回折光の領域を示し
ている。

【０２９０】従って、Ｄ−２ｇλ／ｐの領域は、±１次
の回折光が干渉している領域である。このような領域に
於て、移動回折板３１４から出射される光軸に平行な回
折光がレンズ１５により集光され、受光部１６により検
出される。

【０２９１】以上のように構成された参考例７は、従来
例同様に、２倍周波の出力を得られるのみならず変調度
特性が非常に良くなる。この理由を前述したモデルを用
いて説明する。

【０２９２】レンズ１５の入射瞳径がＤ−２ｇλ／ｐ以
内に制限されているので、（数２）（数３）の積分範囲
は（−Ｄ／２＋ｇα、Ｄ／２−ｇα）となり、＋１次回
折光の検出器１６上での複素振幅Ｆ'1は（数１６）とな
る。同様にして、−１次回折光の複素振幅Ｆ'2は（数１
７）となる。

【０２９３】従って、受光器１６で検出される複素振幅
Ｆ’は（数１８）となる。

【０２９４】（数１８）において、前述と同様、第１項
のみについて考えることにする。光軸上の点（ω＝０）
に於て振幅が０となる場合（ｋα△ｘ＝π／２、つまり
△ｘ＝ｐ／４）、第１項は０となり光軸近傍では、光が
存在しないことになる。従って、変調度特性が向上し、
精度の良い位置検出が行えることがわかる。図２はこの
場合の変調特性を示している。この時の変調度は、１．
００となった。

【０２９５】なお、この参考例では、レンズ１５の入射
瞳により開口を制限したが、同径のピンホール等を用い
て制限しても同様の効果が得られることは、言うまでも
ない。

【０２９６】また、モデルでは、解析の都合上集光レン
ズ１５をフーリエ変換レンズとしたが、普通のレンズを
用いて移動回折板３１４及び受光器１６を焦点面以外の
位置に置いてもよいことは言うまでもない。つぎに、Ｚ
相信号出力部の動作について説明する。

【０２９７】図１７に示すように、移動回折板３１４の
移動によりフレネルゾーンプレート２１６およびフレネ
ルゾーンプレート２１７の入射瞳にコリメータレンズ１
２の射出光が入ると、フレネルゾーンプレートの焦点に
光が集光する。フレネルゾーンプレートの焦点位置は、
コリメータレンズ射出光と平行でフレネルゾーンプレー
トの中心を通る軸上にある。

【０２９８】従って、移動回折板３１４のｘ軸方向への
移動量とフレネルゾーンプレート２１６および２１７の
焦点位置の移動量は等しくなる。

【０２９９】受光部２１８、受光部２１９は、フレネル
ゾーンプレート２１６の焦点の軌跡上にあり、受光部２
２０、受光部２２１はフレネルゾーンプレート２１７の
焦点の軌跡上に配置されているので、移動回折板３１４
の移動により集光ビームが受光部上を走査することにな
る。

【０３００】次に、信号Ａ１、信号Ｂ１、信号Ａ２、信
号Ｂ２から基準位置信号を作成する方法について図１９
を用いて説明する。図１９は移動回折板が正方向へ移動
したときの信号処理手段２２２の信号波形である。

【０３０１】フレネルゾーンプレート２１６による集光
ビームが受光部２１８から受光部２１９へ移動すると
き、それぞれの受光部から信号Ａ１、信号Ｂ１が得られ
る。このとき差信号Ｄ１は負から正に変化する。信号Ｄ
１に含まれるノイズを防ぐためにヒステリシスをもたせ
て２値化を行うと信号Ｆ１となる。

【０３０２】同様に、フレネルゾーンプレート２１７に
よる集光ビームが受光部２２０から受光部２２１へ移動
するとき、それぞれの受光部から信号Ａ２、信号Ｂ２が
得られ、信号Ｄ２を２値化することにより信号Ｆ２が得
られる。

【０３０３】信号Ｆ１の立ち上がりから信号Ｆ２の立ち
上がりまで、または信号Ｆ２の立ち上がりから信号Ｆ１
の立ち上がりまでの移動回折板３１４の移動距離は、移
動回折板３１４の移動方向における第１と第２の受光部
出力が等しくなる移動回折板３１４の位置から第３と第
４の受光部出力が等しくなる移動回折板位置までの距離
と、第１のフレネルゾーンプレート２１６による集光ビ
ームの中心から第２のフレネルゾーンプレート２１７に
よる集光ビームの中心までの距離の差で与えられる。

【０３０４】従って、フレネルゾーンプレート２１６お
よびフレネルゾーンプレート２１７による集光ビームが
受光部上にある場合に、信号Ｆ１と信号Ｆ２の排他的論
理和をとることにより移動回折板３１４の基準位置信号
として所定のパルス幅の信号Ｊを得ることができる。

【０３０５】次に、信号Ａ１とＢ１の和信号Ｃ１および
信号Ａ２と信号Ｂ２の和信号Ｃ２をそれぞれ２値化し、
信号Ｅ１、Ｅ２を得る。信号Ｅ１、Ｅ２より集光ビーム
が受光部上にあることが検出できるので、信号Ｊとの論
理積をとることにより移動回折板３１４の位置検出信号
Ｋが得られる。

【０３０６】信号Ｋのエッジは、差信号Ｄ１、差信号Ｄ
２の０点より得られるため、光源２０１の強度変動の影
響を受けない。さらに、信号Ｄ１は信号Ａ１、Ｂ１の差
信号、信号Ｄ２は信号Ａ２、Ｂ２の差信号であるので、
受光部に入る散乱光によるノイズなどの同相ノイズは打
ち消しあう。

【０３０７】また、移動回折板３１４のｘ軸方向の変位
に対して、信号Ｄ１、信号Ｄ２の０点近傍での信号変化
率は、信号Ａ１、Ｂ１、Ａ２、Ｂ２単独の場合に対して
約２倍となる。従って、ノイズによる位置検出誤差の影
響を軽減することができる。よって、信号Ｋは正確な所
定のパルス幅の基準信号とる。

【０３０８】また、集光ビーム径を小さくするため、受
光部２１８、２１９、２２０、２２１をフレネルゾーン
プレート２１６、２１７の後側焦点位置に配置したが、
焦点位置以外でもよい。

【０３０９】これは、焦点レンズ２１６、２１７の集光
ビーム中心が、コリメータレンズ２の射出光に平行でフ
レネルゾーンプレート２１６、２１７の中心を通る軸上
にあるため、移動回折板３１４のｘ軸方向移動量と集光
ビーム中心の移動量が等しくなるためである。

【０３１０】また、受光部２１８、２１９、２２０、２
２１はｚ軸に対して垂直な面内にあるとしたが、ｚ軸に
対して傾いた面上に配置してもよい。

【０３１１】また、受光部２１８、２１９、２２０、２
２１は同一面に配置したが、異なった面上に配置しても
よい。

【０３１２】また、光源１にレーザ光源を用いたが、Ｌ
ＥＤなどを用いてもよい。

【０３１３】以上のように本参考例によれば、レンズ１
５の入射瞳径をＤ−２ｇλ／ｐ以内に制限することによ
り、変調度特性が良く、精度の高い角度信号を得ること
が行うことができる。

【０３１４】また、光源からの射出光を移動回折板上の
２つのフレネルゾーンプレートにより第１と第２の集光
ビームを形成し、第１の集光ビームを第１と第２の受光
部で検出し、第２の集光ビームを第３と第４の受光部で
検出し、第１の受光部と第２の受光部の出力の差信号と
第３の受光部と第４の受光部の出力の差信号よりパルス
信号を作成することにより、光源の射出光強度の変動に
影響されず、ノイズによる位置検出精度の劣化の少ない
所定のパルス幅の基準位置信号を得ることができる。

【０３１５】さらに、回折格子、およびフレネルゾーン
プレートはスタンパで一括して作成することができるた
め、生産性の向上、低コスト化が可能となる。

【０３１６】（参考例８） 図２２は本参考例８の基本構成図を示すものであり、図
２３は受光部の構成を示すものである。

【０３１７】まず、Ａ／Ｂ相信号出力部についてその構
成を説明する。３１７は光検出器であり、受光部１０
６、２１８、２１９、２２０、２２１が配置されてい
る。

【０３１８】１０６は、移動回折板３１４からの距離が
ｐＤ／（２λ）−ｇ以上になるように設けられた受光部
である。但し、Ｄはコリメータレンズ２により平行光化
されたビーム径、ｇは固定回折板３１３と移動回折板３
１４との間の距離、λは光の波長、ｐは回折板のピッチ
を示している。また、この受光部１０６はＤ−２ｇλ／
ｐ以内に制限されている。

【０３１９】本参考例８が参考例７と異なるのは、参考
例７ではレンズ１５を用いているのに対して、本参考例
８ではかかる集光レンズ１５を使用していない点であ
る。

【０３２０】つぎに、Ｚ相信号出力部についてその構成
を説明する。

【０３２１】フレネルゾーンプレート２１６の焦点の軌
跡上であって且つフレネルゾーンプレート２１７の焦点
の軌跡外に第１の受光部２１８および第２の受光部２１
９が配置されている。

【０３２２】第１の受光部２１８と第２の受光部２１９
の移動回折板移動方向のギャップは、受光部２１８、２
１９上でのフレネルゾーンプレート２１６による集光ビ
ーム径より小さい。

【０３２３】また、フレネルゾーンプレート２１７の焦
点の軌跡上であって且つフレネルゾーンプレート２１６
の焦点の軌跡外に第３の受光部２２０および第４の受光
部２２１が配置されている。

【０３２４】第３の受光部２２０と第４の受光部２２１
の移動回折板移動方向のギャップは、受光部上でのフレ
ネルゾーンプレート２１７による集光ビーム径より小さ
い。受光部２１８および受光部２１９のｘ軸方向の幅
は、フレネルゾーンプレート２１６による受光部での集
光ビーム径より大きく、受光部２２０および受光部２２
１のｘ軸方向の幅は、フレネルゾーンプレート２１７に
よる受光部での集光ビーム径より大きい。

【０３２５】また、受光部２１８と２２０間のギャップ
は、少なくとも受光部でのフレネルゾーンプレート２１
６による集光ビーム径より小さく、受光部２２０と２２
１間のギャップは少なくとも受光部でのフレネルゾーン
プレート２１７による集光ビーム径より小さく、移動回
折板３１４の移動方向における第１と第２の受光部出力
が等しくなる移動回折板３１４の位置から第３の受光部
と第４の受光部出力が等しくなる移動回折板位置までの
距離と、第１のフレネルゾーンプレート２１６中心から
第２のフレネルゾーンプレート２１７中心までの距離の
差を所定の値とし、第１のフレネルゾーンプレート２１
６による集光ビームの一部が第１または第２の受光部２
１８、２１９上にあるときに、前記第２のフレネルゾー
ンプレート２１７による集光ビームの一部が第３または
第４の受光部２２０、２２１上にある。

【０３２６】２２２は信号処理手段であり、受光器２１
８、２１９、２２０、２２１の出力を入力とし、位置検
出信号を出力する。遮光部２２３は移動回折板上に設け
られ、フレネルゾーンプレート２１６、２１７の入射瞳
外を照射するコリメータレンズ１２の射出光を遮光し、
移動回折板３１４の移動範囲内でコリメータレンズ１２
の射出光が受光器２１８、２１９、２２０、２２１を照
射するのを防ぐようになっている。

【０３２７】図１８に示すように、和信号作成回路２２
４は受光部２１８の出力信号Ａ１と受光部２１９の出力
信号Ｂ１の和信号Ｃ１を作成し、差信号作成回路２２５
は信号Ａ１と信号Ｂ１の差信号Ｄ１を作成する。２値化
回路２２６は信号Ｃ１の２値化信号Ｅ１を出力する。

【０３２８】また２値化回路２２７は信号Ｄ１を入力と
し、ヒステリシスを設けて２値化を行い信号Ｆ１を出力
する。ヒステリシスは信号Ｄ１に含まれるノイズの最大
振幅より大きな値に設定する。

【０３２９】和信号作成回路２２８は受光部２２０の出
力信号Ａ２と受光部２１９の出力信号Ｂ２の和信号Ｃ２
を作成し、差信号作成回路２２９は信号Ａ２と信号Ｂ２
の差信号Ｄ２を作成する。

【０３３０】２値化回路２３０は信号Ｃ２の２値化信号
Ｅ２を出力する。また２値化回路２３１は信号Ｄ２を入
力とし、ヒステリシスを設けて２値化を行い信号Ｆ２を
出力する。ヒステリシスは信号Ｄ２に含まれるノイズの
最大振幅より大きな値に設定する。

【０３３１】排他的論理素子２３２は信号Ｆ１と信号Ｆ
２を入力としその排他論理和信号Ｊを作成する。

【０３３２】また論理積素子２３３は信号Ｅ１と信号Ｅ
２と信号Ｊを入力としその論理積信号Ｋを作成するよう
になっている。

【０３３３】以上のように構成された本参考例につい
て、まず、Ａ／Ｂ相信号出力部についてその動作を、図
３を併用して説明する。

【０３３４】光源１１から出射された光は、コリメータ
レンズ２により平行光にされた後、固定回折板３１３に
対して略垂直の方向から固定回折板３１３に入射され
る。

【０３３５】この固定回折板３１３を出射した光は、移
動回折板３１４に入射した後、回折光として出射され
る。

【０３３６】移動回折板３１４から出射される回折光を
（ｎ、ｍ）（但し、ｎは固定回折板３１３による回折次
数、ｍは移動回折板３１４による回折次数を各々示
す。）として表わすと、図中ａで示した領域は（−１、
＋１）と（＋１、−１）の領域、ｂは（−１、＋１）の
領域、ｃは（＋１、−１）の領域、ｄは（−１、−１）
の領域、ｅは（＋１、＋１）の領域を示している。但
し、図３においては、図示の都合上、３次の回折光以上
の回折光は省略している。

【０３３７】受光部１０６は、移動回折板３１４からの
距離がｐＤ／（２λ）−ｇ以上になるように設置され、
かつ、この受光部１０６の受光部はＤ−２ｇλ／ｐ以内
に制限されているので、領域ａの光だけを検出する。つ
ぎに、Ｚ相信号出力部の動作について説明する。

【０３３８】図１７に示すように、移動回折板３１４の
移動によりフレネルゾーンプレート２１６およびフレネ
ルゾーンプレート２１７の入射瞳にコリメータレンズ１
２の射出光が入ると、フレネルゾーンプレートの焦点に
光が集光する。

【０３３９】フレネルゾーンプレートの焦点位置は、コ
リメータレンズ射出光と平行でフレネルゾーンプレート
の中心を通る軸上にある。

【０３４０】従って、移動回折板３１４のｘ軸方向への
移動量とフレネルゾーンプレート２１６および２１７の
焦点位置の移動量は等しくなる。

【０３４１】受光部２１８、受光部２１９はフレネルゾ
ーンプレート２１６の焦点の軌跡上にあり、受光部２２
０、受光部２２１はフレネルゾーンプレート２１７の焦
点の軌跡上に配置されているので、移動回折板３１４の
移動により集光ビームが受光部上を走査することにな
る。

【０３４２】次に、信号Ａ１、信号Ｂ１、信号Ａ２、信
号Ｂ２から基準位置信号を作成する方法について図１９
を用いて説明する。図１９は移動回折板が正方向へ移動
したときの信号処理手段２２２の信号波形である。

【０３４３】フレネルゾーンプレート２１６による集光
ビームが受光部２１８から受光部２１９へ移動すると
き、それぞれの受光部から信号Ａ１、信号Ｂ１が得られ
る。このとき差信号Ｄ１は負から正に変化する。信号Ｄ
１に含まれるノイズを防ぐためにヒステリシスをもたせ
て２値化を行うと信号Ｆ１となる。

【０３４４】同様に、フレネルゾーンプレート２１７に
よる集光ビームが受光部２２０から受光部２２１へ移動
するとき、それぞれの受光部から信号Ａ２、信号Ｂ２が
得られ、信号Ｄ２を２値化することにより信号Ｆ２が得
られる。

【０３４５】信号Ｆ１の立ち上がりから信号Ｆ２の立ち
上がりまで、または信号Ｆ２の立ち上がりから信号Ｆ１
の立ち上がりまでの移動回折板３１４の移動距離は、移
動回折板３１４の移動方向における第１と第２の受光部
出力が等しくなる移動回折板３１４の位置から第３と第
４の受光部出力が等しくなる移動回折板位置までの距離
と、第１のフレネルゾーンプレート２１６による集光ビ
ームの中心から第２のフレネルゾーンプレート２１７に
よる集光ビームの中心までの距離の差で与えられる。

【０３４６】従って、フレネルゾーンプレート２１６お
よびフレネルゾーンプレート２１７による集光ビームが
受光部上にある場合に、信号Ｆ１と信号Ｆ２の排他的論
理和をとることにより移動回折板３１４の基準位置信号
として所定のパルス幅の信号Ｊを得ることができる。

【０３４７】次に、信号Ａ１とＢ１の和信号Ｃ１および
信号Ａ２と信号Ｂ２の和信号Ｃ２をそれぞれ２値化し、
信号Ｅ１、Ｅ２を得る。信号Ｅ１、Ｅ２より集光ビーム
が受光部上にあることが検出できるので、信号Ｊとの論
理積をとることにより移動回折板３１４の位置検出信号
Ｋが得られる。

【０３４８】信号Ｋのエッジは、差信号Ｄ１、差信号Ｄ
２の０点より得られるため、光源２０１の強度変動の影
響を受けない。さらに、信号Ｄ１は信号Ａ１、Ｂ１の差
信号、信号Ｄ２は信号Ａ２、Ｂ２の差信号であるので、
受光部に入る散乱光によるノイズなどの同相ノイズは打
ち消しあう。

【０３４９】また、移動回折板３１４のｘ軸方向の変位
に対して、信号Ｄ１、信号Ｄ２の０点近傍での信号変化
率は、信号Ａ１、Ｂ１、Ａ２、Ｂ２単独の場合に対して
約２倍となる。従って、ノイズによる位置検出誤差の影
響を軽減することができる。よって、信号Ｋは正確な所
定のパルス幅の基準信号とる。

【０３５０】また、集光ビーム径を小さくするため受光
部２１８、２１９、２２０、２２１をフレネルゾーンプ
レート２１６、２１７の後側焦点位置に配置したが、焦
点位置以外でもよい。これは、焦点レンズ２１６、２１
７の集光ビーム中心が、コリメータレンズ２の射出光に
平行でフレネルゾーンプレート２１６、２１７の中心を
通る軸上にあるため、移動回折板３１４のｘ軸方向移動
量と集光ビーム中心の移動量が等しくなるためである。

【０３５１】また、受光部２１８、２１９、２２０、２
２１はｚ軸に対して垂直な面内にあるとしたが、ｚ軸に
対して傾いた面上に配置してもよい。

【０３５２】また、受光部２１８、２１９、２２０、２
２１は同一面に配置したが、異なった面上に配置しても
よい。

【０３５３】また、光源１にレーザ光源を用いたが、Ｌ
ＥＤなどを用いてもよい。

【０３５４】以上のように本参考例によれば、±１次回
折光が干渉した領域だけを用いることにより変調度特性
を向上できる。また、集光レンズを用いる必要がないた
め、部品点数を軽減でき、軽量化を実現できる。

【０３５５】さらに、回折格子、およびフレネルゾーン
プレートはスタンパで一括して作成することができるた
め、生産性の向上、低コスト化が可能となる。

【０３５６】（参考例９） 図２４は本発明の参考例９の模式図であり、図２５は光
検出器の構成を示すものである。

【０３５７】まず、Ａ／Ｂ相信号出力部についてその構
成を説明する。１は波長λのコヒーレント光源、２は光
源１１の射出光を平行光化するコリメータレンズ、３は
±１次回折光のみを通過させる回折格子を有する第１の
固定板、３２４は、第１の固定板３と等しい回折角の±
１次回折光のみを通過させ、溝の方向が半径方向である
回折格子を円周上に有し、第１のフレネルゾーンプレー
ト２１６と第２のフレネルゾーンプレート２１７を有す
るる回転板、５、６は回転板３２４の射出光を回転中心
に対し対称な位置に導くミラー、７は第１の固定板３と
等しい回折角の±１次回折光のみを通過させる回折格子
を有する第２の固定板、３１８は光検出器であり、受光
部８、２１８、２１９、２２０、２２１が配置されてい
る。

【０３５８】つぎに、Ｚ相信号出力部についてその構成
を説明する。

【０３５９】フレネルゾーンプレート２１６の焦点の軌
跡上であって且つフレネルゾーンプレート２１７の焦点
の軌跡外に位置するように、第１の受光部２１８および
第２の受光部２１９は配置されている。

【０３６０】第１の受光部２１８と第２の受光部２１９
の回転板円周方向のギャップは受光部２１８、２１９上
でのフレネルゾーンプレート２１６による集光ビーム径
より小さい。

【０３６１】また、フレネルゾーンプレート２１７の焦
点の軌跡上であって且つフレネルゾーンプレート２１６
の焦点の軌跡外に位置するように、第３の受光部２２０
および第４の受光部２２１は配置されている。

【０３６２】第３の受光部２２０と第４の受光部２２１
の回転板円周方向のギャップは受光部上でのフレネルゾ
ーンプレート２１７による集光ビーム径より小さい。

【０３６３】受光部２１８および受光部２１９のｘ軸方
向の幅は、フレネルゾーンプレート２１６による受光部
での集光ビーム径より大きく、受光部２２０および受光
部２２１のｘ軸方向の幅は、フレネルゾーンプレート２
１７による受光部での集光ビーム径より大きい。

【０３６４】また、受光部２１８と２２０間のギャップ
は少なくとも受光部でのフレネルゾーンプレート２１６
による集光ビーム径より小さく、受光部２２０と２２１
間のギャップは少なくとも受光部でのフレネルゾーンプ
レート２１７による集光ビーム径より小さく、回転板３
２４の回転方向における第１と第２の受光部出力が等し
くなる回転板３２４の角度から第３の受光部と第４の受
光部出力が等しくなる回転板角度までの円周上の距離
と、第１のフレネルゾーンプレート２１６中心から第２
のフレネルゾーンプレート２１７中心までの距離の差を
所定の値とし、第１のフレネルゾーンプレート２１６に
よる集光ビームの一部が第１または第２の受光部２１
８、２１９上にあるときに、前記第２のフレネルゾーン
プレート２１７による集光ビームの一部が第３または第
４の受光部２２０、２２１上にある。

【０３６５】２２２は信号処理手段であり、受光器２１
８、２１９、２２０、２２１の出力を入力とし、位置検
出信号を出力する。遮光部２２３は回転板上に設けら
れ、フレネルゾーンプレート２１６、２１７の入射瞳外
を照射するコリメータレンズ１２の射出光を遮光し、回
転板３２４の移動範囲内でコリメータレンズ１２の射出
光が受光器２１８、２１９、２２０、２２１を照射する
のを防ぐようになっている。

【０３６６】図１８に示すように、和信号作成回路２２
４は受光部２１８の出力信号Ａ１と受光部２１９の出力
信号Ｂ１の和信号Ｃ１を作成し、差信号作成回路２２５
は信号Ａ１と信号Ｂ１の差信号Ｄ１を作成する。

【０３６７】２値化回路２２６は信号Ｃ１の２値化信号
Ｅ１を出力する。また２値化回路２２７は信号Ｄ１を入
力とし、ヒステリシスを設けて２値化を行い信号Ｆ１を
出力する。ヒステリシスは信号Ｄ１に含まれるノイズの
最大振幅より大きな値に設定する。

【０３６８】和信号作成回路２２８は受光部２２０の出
力信号Ａ２と受光部２１９の出力信号Ｂ２の和信号Ｃ２
を作成し、差信号作成回路２２９は信号Ａ２と信号Ｂ２
の差信号Ｄ２を作成する。

【０３６９】２値化回路２３０は信号Ｃ２の２値化信号
Ｅ２を出力する。また２値化回路２３１は信号Ｄ２を入
力とし、ヒステリシスを設けて２値化を行い信号Ｆ２を
出力する。

【０３７０】ヒステリシスは信号Ｄ２に含まれるノイズ
の最大振幅より大きな値に設定する。排他的論理素子２
３２は信号Ｆ１と信号Ｆ２を入力としその排他論理和信
号Ｊを作成する。また論理積素子２３３は信号Ｅ１と信
号Ｅ２と信号Ｊを入力としその論理積信号Ｋを作成する
ようになっている。

【０３７１】以上のように構成された本参考例につい
て、まずＡ／Ｂ相信号出力部の動作を説明する。

【０３７２】図２４において、ｙ軸正方向からｘｚ面を
みたときの光源１１からミラー５までの光路を示すと、
図６と同様になるので、図６を併用して説明する。

【０３７３】図６において光源１１の射出光はコリメー
タレンズ２により平行光化され第１の固定板３に入射す
る。第１の固定板３により光は±１次回折光に分離す
る。第１の固定板３より射出された±１次回折光は回転
板３２４（図６では符号４に対応する。以下同様であ
る）に入射し、それぞれ±１次回折光に分離する。

【０３７４】第１の固定板３と回転板３２４での±１次
回折光の回折角は等しいので、第１の固定板３でｘ軸正
方向へ回折し、さらに回転板３２４でｘ軸負方向へ回折
した光束を光束３１とし、また第１の固定板３でｘ軸負
方向へ回折し、さらに回転板３２４でｘ軸正方向へ回折
した光束を光束３２とすると、光束３１と光束３２は平
行となる。

【０３７５】回折格子が入射光に対して移動すると、＋
１次回折、−１次回折光で光の位相の進み遅れが生じる
ことはよく知られている。回折格子のピッチをｐ、回折
格子の主断面に平行な方向の移動量をｘとし、光の波長
をλとすると、入射光の光軸に対し回折格子の移動方向
に回折する１次光の位相は、２πｘ／(λｐ)進み、入射
光の光軸に対し回折格子の移動方向と逆方向に回折する
１次光の位相は、２πｘ／(λｐ)遅れる。

【０３７６】したがって、回転板３２４の回転角をθと
し、図６で回転板３２４の回折格子がｘ軸正方向に移動
する向きを回転角θの正方向とし、回転板３２４上の回
折格子の分割数をＮとし、回転板３２４中心から回転板
３２４上のビーム照射位置までの距離をｒとすると、光
束３１と光束３２の光の複素振幅は(数１９)に示すよう
になる。

【０３７７】回転板３２４により位相変調を受けた光束
３１と光束３２はミラー５により、回転板３２４の回転
中心に対して対称な位置に導かれる。

【０３７８】更に、図７は、図２４においてｙ軸正方向
から見たｘｚ平面でのミラー６から受光部８までの光路
を示した図にも対応するので、図７を用いて、本参考例
を説明する。

【０３７９】図７において、ミラー６を射出した光束３
１、光束３２は平行であり、第２の固定板７によりそれ
ぞれ±１次回折光に分離する。光束３１が第２の固定格
子７でｘ軸負方向へ回折し、さらに回転板３２４でｘ軸
正方向へ回折した光束を光束３３とし、また光束３２が
第２の固定板７でｘ軸正方向へ回折し、さらに回転板３
２４でｘ軸負方向へ回折した光束を光束３４とすると、
光束３３、光束３４は平行で互いに重なり干渉を起こ
す。

【０３８０】回転板３２４（図７では符号４に対応す
る。以下、同様である。）が正方向にまわると、図７で
の回転板３２４移動方向はｘ軸負方向であるので、光束
３３、光束３４の複素振幅は(数２０)に示すようにな
る。また、光束３３と光束３４の干渉光強度を求めると
(数２１)に示すようになる。

【０３８１】受光部８は(数２１)で表される光強度を検
出する。(数２１)より回転板３２４の１回転により４Ｎ
パルス、すなわち回転板上の回折格子の分割数の４倍の
パルスが得られることがわかる。

【０３８２】次に、回転板３２４に偏心εが生じた場合
の累積誤差について説明する。偏心があると、回転角θ
と回転板中心に対する回転角θaが異なる。θaは従来例
での説明と同様θa＝θ＋(ε／ｒ)cosθとなる。したが
って、光束３１、光束３２の複素振幅は(数２２)に示す
ようになる。

【０３８３】回転板３２４の回転中心に対する対称点で
はθb＝θ−(ε／ｒ)cosθとなるので、光束３３、光束
３４の複素振幅は(数２３)に示すようになる。

【０３８４】光束３３と光束３４の干渉強度、すなわち
受光部８での受光強度は(数２４)に示すようになる。

【０３８５】(数２４)には偏心εを含む項がないので、
偏心による累積誤差がなく、さらに光強度の変動も生じ
ないことがわかる。

【０３８６】つぎに、Ｚ相信号出力部の動作について図
１７を併用して説明する。

【０３８７】図１７に示すように、回転板３２４の回転
によりフレネルゾーンプレート２１６およびフレネルゾ
ーンプレート２１７の入射瞳にコリメータレンズ１２の
射出光が入ると、フレネルゾーンプレートの焦点に光が
集光する。フレネルゾーンプレートの焦点位置は、コリ
メータレンズ射出光と平行でフレネルゾーンプレートの
中心を通る軸上にある。

【０３８８】従って、回転板３２４のｘ軸方向への移動
量とフレネルゾーンプレート２１６および２１７の焦点
位置の移動量は等しくなる。受光部２１８、受光部２１
９はフレネルゾーンプレート２１６の焦点の軌跡上にあ
り、受光部２２０、受光部２２１は、フレネルゾーンプ
レート２１７の焦点の軌跡上に配置されているので、回
転板３２４の回転により集光ビームが受光部上を走査す
ることになる。

【０３８９】次に、信号Ａ１、信号Ｂ１、信号Ａ２、信
号Ｂ２から基準位置信号を作成する方法について図１９
を併用して説明する。図１９は回転板が正方向へ移動し
たときの信号処理手段２２２の信号波形である。

【０３９０】フレネルゾーンプレート２１６による集光
ビームが受光部２１８から受光部２１９へ移動すると
き、それぞれの受光部から信号Ａ１、信号Ｂ１が得られ
る。このとき差信号Ｄ１は負から正に変化する。信号Ｄ
１に含まれるノイズを防ぐためにヒステリシスをもたせ
て２値化を行うと信号Ｆ１となる。

【０３９１】同様に、フレネルゾーンプレート２１７に
よる集光ビームが受光部２２０から受光部２２１へ移動
するとき、それぞれの受光部から信号Ａ２、信号Ｂ２が
得られ、信号Ｄ２を２値化することにより信号Ｆ２が得
られる。

【０３９２】信号Ｆ１の立ち上がりから信号Ｆ２の立ち
上がりまで、または信号Ｆ２の立ち上がりから信号Ｆ１
の立ち上がりまでの回転板３２４の円周方向への移動距
離は、回転板３２４の円周方向への移動方向における第
１と第２の受光部出力が等しくなる回転板３２４の位置
から第３と第４の受光部出力が等しくなる回転板位置ま
での距離と、第１のフレネルゾーンプレート２１６によ
る集光ビームの中心から第２のフレネルゾーンプレート
２１７による集光ビームの中心までの距離の差で与えら
れる。

【０３９３】従って、フレネルゾーンプレート２１６お
よびフレネルゾーンプレート２１７による集光ビームが
受光部上にある場合に、信号Ｆ１と信号Ｆ２の排他的論
理和をとることにより回転板３２４の基準位置信号とし
て所定のパルス幅の信号Ｊを得ることができる。

【０３９４】次に、信号Ａ１とＢ１の和信号Ｃ１および
信号Ａ２と信号Ｂ２の和信号Ｃ２をそれぞれ２値化し、
信号Ｅ１、Ｅ２を得る。信号Ｅ１、Ｅ２より集光ビーム
が受光部上にあることが検出できるので、信号Ｊとの論
理積をとることにより回転板３２４の位置検出信号Ｋが
得られる。

【０３９５】信号Ｋのエッジは、差信号Ｄ１、差信号Ｄ
２の０点より得られるため、光源２０１の強度変動の影
響を受けない。さらに、信号Ｄ１は信号Ａ１、Ｂ１の差
信号、信号Ｄ２は信号Ａ２、Ｂ２の差信号であるので、
受光部に入る散乱光によるノイズなどの同相ノイズは打
ち消しあう。

【０３９６】また、回転板３２４のｘ軸方向の変位に対
して、信号Ｄ１、信号Ｄ２の０点近傍での信号変化率
は、信号Ａ１、Ｂ１、Ａ２、Ｂ２単独の場合に対して約
２倍となる。従って、ノイズによる位置検出誤差の影響
を軽減することができる。よって、信号Ｋは正確な所定
のパルス幅の基準信号とる。

【０３９７】また、集光ビーム径を小さくするため受光
部２１８、２１９、２２０、２２１をフレネルゾーンプ
レート２１６、２１７の後側焦点位置に配置したが、焦
点位置以外でもよい。これは、焦点レンズ２１６、２１
７の集光ビーム中心が、コリメータレンズ２の射出光に
平行でフレネルゾーンプレート２１６、２１７の中心を
通る軸上にあるため、回転板３２４のｘ軸方向移動量と
集光ビーム中心の移動量が等しくなるためである。

【０３９８】また、受光部２１８、２１９、２２０、２
２１はｚ軸に対して垂直な面内にあるとしたが、ｚ軸に
対して傾いた面上に配置してもよい。

【０３９９】また、受光部２１８、２１９、２２０、２
２１は同一面に配置したが、異なった面上に配置しても
よい。

【０４００】また、光源１にレーザ光源を用いたが、Ｌ
ＥＤなどを用いてもよい。

【０４０１】なお、第１の固定板３の±１次回折光が回
転板３２４上で完全に分離するよう第１の固定板３と回
転板３２４との距離を離し、第１の固定板３と回転板３
２４との距離を第１の固定板３と回転板３２４との距離
と等しくし、光束３３と光束３４のみを受光部８で受光
することにより高い変調度の信号を得ることができる。

【０４０２】以上のように本参考例によれば、位相格子
を有する第１の固定板と回転板により互いに平行光化さ
れ、かつ位相変調された±１次回折光を、回転板の回転
中心に対称な位置において再度位相変調させ、第２の固
定板により±１次回折光を干渉させることにより、回転
板に偏心が生じた場合でも、光強度の変動の少ない、累
積誤差がない角度検出が行える。このため、高精度な回
転板の組立調整が不要となるのでコストダウンが図れ、
小型化、高分解能化が容易に行える。また、負荷による
軸偏心に対しても強くなるため、軸受けの小型軽量化が
可能となる。

【０４０３】さらに、回折格子、およびフレネルゾーン
プレートはスタンパで一括して作成することができるた
め、生産性の向上、低コスト化が可能となる。

【０４０４】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１記載の発
明によれば、入射瞳径がＤ−２ｇλ／ｐ以内に制限され
前記移動回折板を通過した光軸と平行な回折光を集光レ
ンズにより集光し、光量を検出することにより、変調度
特性が良く、精度の高い位置検出を行うことができる。

【０４０５】また、請求項２記載の発明によれば、受光
部がＤ−２ｇλ／ｐ以内に制限され固定回折板及び移動
回折板からｐＤ／（２λ）−ｇ以上の距離で光量を検出
することにより、集光レンズが不要となるので、請求項
１記載の発明の効果に加え、エンコーダの小型軽量化、
低コスト化が可能となる。

【０４０６】また、請求項３記載の発明によれば、レン
ズ１５の入射瞳径をＤ−２ｇλ／ｐ以内に制限すること
により、変調度特性が良く、精度の高い角度信号を得る
ことが行うことができる。また、光源からの射出光を移
動回折板上の２つのフレネルゾーンプレートにより第１
と第２の集光ビームを形成し、第１の集光ビームを第１
と第２の受光部で検出し、第２の集光ビームを第３と第
４の受光部で検出し、第１の受光部と第２の受光部の出
力の差信号と第３の受光部と第４の受光部の出力の差信
号よりパルス信号を作成することにより、光源の射出光
強度の変動に影響されず、ノイズによる位置検出精度の
劣化の少ない所定のパルス幅の基準位置信号を得ること
ができる。さらに、回折格子、およびフレネルゾーンプ
レートはスタンパで一括して作成することができるた
め、生産性の向上、低コスト化が可能となる。

【０４０７】また、請求項４記載の発明によれば、±１
次回折光が干渉した領域だけを用いることにより変調度
特性を向上できる。また、集光レンズを用いる必要がな
いため、部品点数を軽減でき、軽量化を実現できる。さ
らに、回折格子、およびフレネルゾーンプレートはスタ
ンパで一括して作成することができるため、生産性の向
上、低コスト化が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す構成図

【図２】同実施例における変調度特性図

【図３】本発明の第２の実施例を示す構成図

【図４】本発明の参考例１を示す構成図

【図５】本発明の参考例２の構成図

【図６】同参考例における光源からミラーまでの平面図

【図７】同参考例におけるミラーから受光器までの平面
図

【図８】本発明の参考例３の構成図

【図９】同参考例におけるミラーから受光器までの平面
図

【図１０】本発明の参考例４の構成図

【図１１】同参考例におけるエンコーダの平面図

【図１２】本発明の参考例５の位置測定装置の構成を示
す斜視図

【図１３】同参考例における信号処理手段のブロック図

【図１４】同信号処理手段の各部の信号波形図

【図１５】同参考例における、ビーム走査による信号波
形図

【図１６】同参考例における軸外焦点レンズを用いた構
成図

【図１７】本発明の参考例６の位置測定装置の構成を示
す斜視図

【図１８】同参考例における信号処理手段のブロック図

【図１９】同信号処理手段の各部の信号波形図

【図２０】本発明の参考例７の構成図

【図２１】同参考例における光検出器の構成図

【図２２】本発明の参考例８の構成図

【図２３】同参考例における光検出器の構成図

【図２４】本発明の参考例９における構成図

【図２５】同参考例における光検出器の構成図

【図２６】従来の光学式エンコーダの構成図

【図２７】同従来エンコーダのモデル図

【図２８】同モデルにおける検出器での強度分布図

【図２９】同モデルにおける検出器での強度分布図

【図３０】同モデルにおける変調度特性図

【図３１】従来の光学式エンコーダの概略図

【図３２】従来の光学式エンコーダの信号波形図

【図３３】従来の光学式エンコーダの回転板の偏心を示
す説明図

【図３４】従来例の位置測定装置の平面図

【図３５】同従来例における出力結果の説明図

【図３６】従来の光学式エンコーダの構成図

【符号の説明】

１ コヒーレント光源 ２ コリメータレンズ ３ 第１の固定板 ４ 回転板 ７ 第２の固定板 ８ 受光器 ９ ３角プリズム １０ 円筒形の回転体 １１ 半導体レーザ １２ コリメータレンズ １３ 固定回折板 １４ 移動回折板 １５ レンズ １６ 受光器 ２０１ 光源 ２０３ 移動体 ２０４ 集光レンズ ２０５ 第１の受光部 ２０６ 第２の受光部 ２０８ 信号処理手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊藤 正弥 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 冨士川 恵市 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 平４−344412（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−130220（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−31111（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−65115（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01D 5/26 - 5/38 G01B 11/00 - 11/30

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 波長λでビーム径Ｄの平行光を、光の光
   軸に対して略垂直でかつ距離ｇを隔てて互いに平行に設
   けられており主要回折成分が±１次であるピッチｐの回
   折格子を有する固定回折板及び移動回折板に入射し、光
   軸と平行な回折光を入射瞳径がＤ−２ｇλ／ｐ以内に制
   限された集光レンズにより集光し、その光量を検出する
   ことにより前記移動回折板の変移を検出することを特徴
   とする変移の測定方法。
2. 【請求項２】 波長λでビーム径Ｄの平行光を、距離ｇ
   を隔てて互いに平行に設けられており主要回折成分が±
   １次であるピッチｐの回折格子を有する固定回折板及び
   移動回折板に略垂直に入射し、前記固定回折板及び前記
   移動回折板からｐＤ／（２λ）−ｇ以上の距離でＤ−２
   ｇλ／ｐ以内の領域の光量を検出することにより前記移
   動回折板の変移を検出することを特徴とする変移の測定
   方法。
3. 【請求項３】 波長λ、ビーム径Ｄの平行光を出射する
   光源と、前記光源から出射された光の光軸に対して略垂
   直でかつ距離ｇを隔てて互いに平行に設けられており主
   要回折光が±１次であるピッチｐの位相格子を有する固
   定回折板及び移動回折板と、前記固定回折板及び移動回
   折板を通過した光を受光する受光器と、入射瞳径がＤ−
   ２ｇλ／ｐ以内に制限され前記固定回折板及び前記移動
   回折板を通過した光軸と平行な回折光を前記光受光器に
   集光させる集光レンズと、前記移動回折板上に配置され
   前記光源の光路内を通過する第１のフレネルゾーンプレ
   ートと第２のフレネルゾーンプレートと、前記第１のフ
   レネルゾーンプレートの集光ビームのみを入射光とし前
   記移動回折板の移動方向における受光部間ギャップが集
   光ビーム径より小さくかつ受光部の幅が集光ビーム径よ
   り広い第１の受光部と第２の受光部と、前記第２のフレ
   ネルゾーンプレートの集光ビームのみを入射光とし前記
   移動回折板の移動方向における受光部間ギャップが集光
   ビーム径より小さく、かつ受光部の幅が集光ビーム径よ
   り広い第３の受光部と第４の受光部を備え、前記第１の
   フレネルゾーンプレートによる集光ビームの一部が第１
   の受光部または第２の受光部上にあるときには、前記第
   ２のフレネルゾーンプレートによる集光ビームの一部が
   前記第３の受光部または第４の受光部上にある様に構成
   されており、更に前記第１の受光部と第２の受光部の出
   力の差信号と前記第３の受光部と第４の受光部の出力信
   号の差信号より所定のパルス幅の信号を作成する手段を
   備えた変移の測定装置。
4. 【請求項４】 波長λビーム径Ｄの平行光を出射する光
   源と、前記光源から出射された光の光軸に対して略垂直
   でかつ距離ｇを隔てて互いに平行に設けられており主と
   して±１次の回折光を通過させるピッチｐの位相格子を
   有する固定回折板及び移動回折板と、受光部径がＤ−２
   ｇλ／ｐ以内に制限され前記固定回折板及び前記移動回
   折板からの距離がｐＤ／（２λ）−ｇ以上になるように
   設けられた受光器と、前記移動回折板上に配置され前記
   光源の光路内を通過する第１のフレネルゾーンプレート
   と第２のフレネルゾーンプレートと、前記第１のフレネ
   ルゾーンプレートの集光ビームのみを入射光とし前記移
   動回折板の移動方向における受光部間ギャップが集光ビ
   ーム径より小さくかつ受光部の幅が集光ビーム径より広
   い第１の受光部と第２の受光部と、前記第２のフレネル
   ゾーンプレートの集光ビームのみを入射光とし前記移動
   回折板の移動方向における受光部間ギャップが集光ビー
   ム径より小さく、かつ受光部の幅が集光ビーム径より広
   い第３の受光部と第４の受光部を備え、前記第１のフレ
   ネルゾーンプレートによる集光ビームの一部が第１の受
   光部または第２の受光部上にあるときには、前記第２の
   フレネルゾーンプレートによる集光ビームの一部が前記
   第３の受光部または第４の受光部上にある様に構成され
   ており、更に前記第１の受光部と第２の受光部の出力の
   差信号と前記第３の受光部と第４の受光部の出力信号の
   差信号より所定のパルス幅の信号を作成する手段を備え
   た変移の測定装置。