JP3209914B2 - 光学式エンコーダ - Google Patents

光学式エンコーダ

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JP3209914B2
JP3209914B2 JP06282396A JP6282396A JP3209914B2 JP 3209914 B2 JP3209914 B2 JP 3209914B2 JP 06282396 A JP06282396 A JP 06282396A JP 6282396 A JP6282396 A JP 6282396A JP 3209914 B2 JP3209914 B2 JP 3209914B2
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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、回折格子によって形成
された回折縞に基づき相対位置の計測を行なう光学式エ
ンコーダに関する。
【０００２】
【従来の技術】光学式エンコーダは、光束を発する発光
ユニットとふたつの回折格子の後方に光電変換素子を配
し、ふたつの回折格子を透過した光を光電変換素子によ
り検出し、ふたつの回折格子の相対移動によって生じる
光の強度の変化を基に、移動量を検出するものである。
図１２には、前記ふたつの回折格子１０の一例が示され
ている。回折格子１０は、光を透過させる透過部１２及
び透過させない非透過部１４が、交互に配置されてい
る、いわゆる振幅変調型の格子を有している。この配列
ピッチが格子ピッチと呼ばれ、透過部１２、非透過部１
４の各々の幅は、格子ピッチＰの２分の１となってい
る。前記の回折格子１０をふたつ用いたエンコーダにお
いては、それぞれの透過部１２が一致したとき、透過光
量が最大となり、光電変換素子で検出される出力も最大
となる。また、一方の透過部１２と他方の非透過部１４
の位置が一致した場合、透過光量は最小となり、光電変
換素子で検出される出力も最小となる。光電変換素子か
ら出力される電気信号は、ふたつの回折格子１０の相対
変位量に対して、前記最大値、最小値の間を増減する。
ふたつの回折格子１０を等速で相対変位させた場合に、
光電変換素子で得られる出力信号は、理想的には、周期
Ｐの三角波信号となる。しかし、実際は回折の影響によ
って前記三角波形状はひずんでいる。そして、この関数
を正弦波として取扱い相対変位の検出がなされていた。
【０００３】回折格子１０を用いた光学式エンコーダ
は、出力信号を正弦波として取り扱って相対位置を求め
ている。しかしながら、この出力信号に種々のひずみ成
分を含んでおり、そのため、格子ピッチより細かな位置
データを求める際に、ひずみ成分による正弦波からのず
れ量により、位置検出値に大きな誤差が含まれていた。
この実際の出力信号と正弦波のずれにより生じる誤差は
分割誤差と呼ばれている。さらに、上述した従来の光学
式エンコーダで得られる変位信号のひずみ率は、第１回
折格子と第２回折格子との間隔が変化すると大きく変動
してしまう。そのため、誤差を一定値以内に抑えるため
には、第１回折格子と第２回折格子との間隔を適切な間
隔で一定に保つ必要があり、非常に厳しい取り付け精度
が要求されるという問題があった。特開平３−４８１２
２号公報には、出力信号のひずみ成分を除去するために
隣合った透過部の間隔が等しくなく、透過部を所定の位
相差をもって配置することで、３次や５次の高調波成分
を除去する光学式エンコーダが開示されている。また、
これら第２回折格子のパターンを光電変換素子により形
成して装置の小型化を図ることも可能である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】前述のいずれの従来例
においても、最初に光が透過する回折格子（以下、第１
回折格子と記し、他方を第２回折格子と記す）における
０次回折光と１次回折光の干渉成分が、光強度すなわち
出力信号の基本波成分を形成しており、その周期は格子
ピッチである。ふたつの回折格子の間隔が変化すると、
第１回折格子で生じた０次回折光と１次回折光の光路長
の変化量が異なるため、０次回折光と１次回折光の干渉
具合が変化して出力信号の基本波成分の振幅が変化する
という問題があった。すなわち、図１３に示すように、
ふたつの回折格子の間隔により出力信号の基本波成分が
変化し、極端な場合、回折格子の間隔がＰ2 ／２λでは
基本波成分がなくなってしまう。従って、良好なＳ／Ｎ
比を得るためには、基本波成分が充分大きい範囲にふた
つの回折格子の間隔を設定しなければならない。しかし
ながら、ふたつの回折格子の間隔を所望の値とするには
高い精度が要求され、よって装置の製作コストが高くな
ってしまうという問題があった。
【０００５】他の例としては、変位するメインスケール
で生じる±１次回折光のみを取り出して干渉させ変位信
号を得る方法がある。±１次回折光を干渉させれば、格
子間隔が変化しても光路長の変化量が等しいから基本波
成分の変化を無くすことができ、前述の問題が解決され
る。しかし、回折光を選択するための分光手段等により
装置が大変複雑になり大型化してしまう。また、回折格
子の三重回折を行なって、同様の機能を果たす方法もあ
るが、同様な問題と、三度の回折によるレベルの低下が
大きいという問題があった。本発明は上述した事情によ
りなされたものであり、本発明の目的は、変位信号の出
力信号の基本波成分がふたつの回折格子との間隔に依存
せず、かつ、ひずみの少ない正弦波状の変位信号を安定
して出力するエンコーダを、低コストに小型かつ簡単な
構成で提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
めに、本発明にかかる光学式エンコーダは、ふたつの回
折格子を通過する光束の光量が、当該ふたつの回折格子
を相対変位させたときに変化することに基づき、前記相
対変位量を検出する光学式エンコーダであって、前記ふ
たつの回折格子の少なくとも一方は、入射される光束に
対しそれぞれ異なる位相変化を与えるふたつの領域が交
互に配置される位相格子であり、当該位相格子において
生じる０次回折光成分が消去する波面変調を与えるもの
である。この構成によれば、０次回折光が干渉によって
除去されるので、０次回折光と他の次数の回折光、たと
えば±１次回折光とが干渉することがなくなる。したが
って、変位信号の基本波成分がふたつの回折格子の間隔
によらず、安定に出力することができる。したがって、
高精度の測定が可能となる。
【０００７】さらに、本発明にかかる他の態様の光学式
エンコーダは、ふたつの回折格子を通過する光束の光量
が、当該ふたつの回折格子を相対変位させたときに変化
することに基づき、前記相対変位量を検出する光学式エ
ンコーダであって、前記ふたつの回折格子の少なくとも
一方は、入射される光束に対しそれぞれ異なる位相変化
を与えるふたつの領域が交互に配置される位相格子であ
り、当該位相格子において生じる０次回折光成分が消去
する波面変調を与えられ、前記ふたつの回折格子の少な
くとも一方は、光束通過率の相対的に高い高透過率領域
と、光束透過率の相対的に低い低透過率領域とが、交互
に配置され、この高透過率領域および低透過率領域の配
列方向に沿った光束透過率の分布が、少なくとも３次の
高次成分を含まない分布となっているものである。この
構成によれば、０次回折光が干渉によって除去されるの
で、０次回折光と他の次数の回折光、たとえば±１次回
折光とが干渉することがなくなる。したがって、変位信
号の基本波成分がふたつの回折格子の間隔によらず、安
定に出力することができる。また、少なくとも３次およ
び５次の高次成分を含まない出力信号を得ることができ
るので、出力信号の歪による誤差を低減させることがで
きる。
【０００８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
（以下、実施形態と記す）を図面に従って説明する。図
１はふたつの格子を有するエンコーダの斜視構造図であ
り、このエンコーダは、光源からの光を最初に受ける第
１回折格子２０と、第１回折格子２０を透過した光を受
けて、図示矢印Ａ方向に相対移動する第２回折格子２２
と、さらに第２回折格子２２を透過した光を受け、この
光量に応じた電気信号を出力する光電変換素子などから
なる受光部２４を有している。第１回折格子２０は、ポ
リメタクリル酸メチル（以下ＰＭＭＡと記す）などの透
過材料で形成された位相格子となっており、ふたつの回
折格子の相対移動方向に溝部２６と条部２８が所定のピ
ッチで交互に配列されている。図２（ａ）は、第１回折
格子２０の断面図であり、この図に示されるように、前
記の溝部２６と条部２８の厚さは、厚み差Ｌの差があ
る。この厚み差Ｌによって、溝部２６を透過した光と、
条部２８を透過した光に所定の位相差を与え、０次回折
光を生じないようにしている。０次回折光を生じさせな
い厚み差Ｌの設定については、後述する。一方、第２回
折格子２２は、前述の従来のエンコーダと同様、透過部
２５と非透過部２７が交互にふたつの回折格子の相対移
動方向に配列されたいわゆる振幅変調型回折格子であ
る。前述のように、位相格子である第１回折格子２０
は、溝部２６と条部２８の厚み差Ｌによって、入射光束
に位相差を与えるものである。溝部２６と条部２８を各
々通過した光の位相差をｍとし、溝部２６と条部２８の
格子配列方向にＸ座標をとれば、第１格子２０の各部に
おける位相変化φ（ｘ）は、図２（ｂ）のようになり、
これをフーリェ級数に展開して下式で示される。
【数３】 回折格子の透過率ｔ（ｘ）は、
【数４】 （２）式をベッセル関数 ｅｘｐ（ｊａ×ｓｉｎｂ）＝
Σ［Ｊq（ａ）ｅｘｐ（ｊｑ×ｂ）］（但し、ｑは−∞
〜∞）を用いて表すと、
【数５】 回折光の振幅は、透過率ｔ（ｘ）のフーリェ変換で表さ
れるので、０次回折光の振幅Ｕ0は、ｔ（ｘ）の定数項
に比例する。定数項の第１項が、他の定数項に対して支
配的であるので、
【数６】 ここで、第１項が０の場合には、Ｕ0が０となり０次回
折光が消去される。
【数７】 この式を満足する第１の根は、２．４０である。従っ
て、この場合の位相差ｍは、下式となる。
【数８】 ＰＭＭＡなどのレジストの屈折率をｎ、空気の屈折率を
ｎ0とすると、レジスト中を通過することによる位相遅
れφr、空気中を通過することによる位相遅れφa、なら
びに位相差ｍは、下式のようになる。
【数９】 これより、厚みＬは、下式より求められる。
【数１０】
【０００９】例えば、ＰＭＭＡの位相格子の場合、屈折
率は１．４９２であり、波長０．８３μｍの光源を用い
る場合、厚みＬを１．０７μｍとすれば、０次回折光が
生じない。つまり、第１回折格子２０と第２回折格子２
２の間の領域では、０次回折光成分が生じていない。従
って、第２回折格子２２を通過する光束は、０次を含ま
ない±１次以上の回折光成分である。前述の例では、ベ
ッセル関数の最初の根を用いたが、２番目以降の解を用
いてもよい。また、位相差ｍは、π（２Ｎ＋１）とし
て、溝部２６と条部２８をそれそれ透過した光の位相が
反転し相殺するようにしてもよい（ただし、Ｎ：自然
数）。従来例においては、第１回折格子における０次回
折光と１次回折光の干渉による格子ピッチの周期成分が
基本波成分であり、第１回折格子と第２回折格子との間
隔が変化すると、第１回折格子における０次回折光と１
次回折光の光路長の変化量が異なるため、０次回折光と
１次回折光の干渉具合が変化して基本波成分が変化する
という問題があった。これに対して、本発明において
は、０次回折光成分が含まれず、０次回折光と１次回折
光の干渉がない。従って、格子のピッチを基本周期とし
た基本波成分がなく、±１次光の干渉による格子ピッチ
の半分の周期成分が、基本波成分となる。この±１次光
は、光路長の相等しい成分どうしの干渉であるので、格
子間隔の変化の影響をうけない。従って、格子間隔が変
化しても、変位信号の基本波成分が変化しない光学式エ
ンコーダが実現できる。
【００１０】続いて、ふたつの回折格子を有する光学式
エンコーダの他の構成例について説明する。この光学式
エンコーダは、前述の図１および図２に記載されたエン
コーダの第２回折格子２２を図３に示す第２回折格子３
２に入れ替えたものである。第２回折格子３２は、透過
部３６と非透過部３８が交互に配列されているが、透過
部３６の幅は４種あり、これが周期的に配列されてい
る。また、各透過部３６の中心線のピッチ（以下、配列
ピッチと記す）は一定である。透過部３６の幅は、配列
ピッチをＰとすれば、透過部３６-0が２３Ｐ／３０、透
過部３６-1が１７Ｐ／３０、透過部３６-2が７Ｐ／３
０、透過部３６-3が１３Ｐ／３０となっている。この透
過部３６の透過率分布には、３次及び５次のひずみ成分
が含まれない。また、全体の透過部と非透過部との比が
１：１となっているので、格子の透過率分布において、
偶数次の成分も含まれない。このパターン幅は以下の方
針で決定される。第２回折格子の透過部３６の幅（以
下、これらを格子幅と記す）を２ｗとすると、格子のパ
ターンの３次及び５次のひずみは下記（９）、（１０）
式で示される。
【数１１】 さらに、格子幅が２ｗの格子によるひずみ成分と、格子
幅が２ｗ' の格子によるひずみ成分との和が“０”とな
ればよいので、下式となる。
【数１２】 これより、２種の格子幅Ｗ＝２ｗ、Ｗ' ＝２ｗ' は、下
式より求められる。
【数１３】 この方程式より、格子幅２ｗ、２ｗ' の解として、格子
ピッチＰより小さい値としては、下記の値が存在する。 （Ｗ、Ｗ' ）＝（２３Ｐ／３０、１７Ｐ／３０）、（７
Ｐ／３０、１３Ｐ／３０）、（１９Ｐ／３０、Ｐ／３
０）、（２９Ｐ／３０、１１Ｐ／３０） 上述の２３Ｐ／３０、１７Ｐ／３０ならびに、１３Ｐ／
３０、７Ｐ／３０はこれらの解より選んだものである。
格子幅としては、例えば２３Ｐ／３０、１７Ｐ／３０を
選択するのみでもよいが、１３Ｐ／３０、７Ｐ／３０を
も含ませることにより、全体の透過部と非透過部との比
が１：１となり、透過率分布に偶数次成分が含まれなく
なる。なお、上記（１３）、（１４）式を一般化して、
ａ次及びｂ次のひずみ成分を除去する場合には、下式で
示される格子パターン幅とすればよい。
【数１４】
【００１１】上記関係式より、２種の格子幅の格子を用
いた構成により、任意の２つのひずみの除去が可能であ
る。なお、格子幅Ｗ及びＷ' の値は、n とn'を変えてい
くと無限に得られるが、実際の格子パターンに採択可能
な値を用いればよい。このような構成の光学式エンコー
ダで、２枚の格子を透過した回折光のうち、０次回折光
の振幅Ａは、下式で表される。
【数１５】 ただし、1 Ｃ-k は、第１回折格子の透過率のフーリェ
係数であり、2 Ｃk は、第２回折格子の透過率のフーリ
ェ係数、ｄはふたつの回折格子の相対変位量、Ｍ：λＺ
／Ｐ2 、λ：光束の波長、Ｚ：回折格子の間隔である。
ここで、第２回折格子３２は、透過率分布において３次
及び５次のひずみ成分が含まれていない。従って、３次
及び５次に相当する上式のｋが３や５をとる場合の光の
振幅Ａが、０となる。つまり、２つの回折格子を等速移
動させた際の、光の振幅Ａの変化に、３次と５次のひず
み成分が含まれない。光電変換素子で得られる光強度
は、光振幅の複素共役で表されるので、光強度にも３次
と５次のひずみ成分が含まれない。
【００１２】また、図１および図２に示したエンコーダ
のように、第１回折格子２０の位相格子の厚み差により
０次回折光が生じないので、基本波成分は、格子間隔に
よって変化しない。また、１次回折光どうしの干渉であ
って、回折格子の１ピッチの相対変位により２度の明暗
の変化が生じるので、１／２ピッチ周期の信号を形成
し、これが基本周期となる。従って、本実施形態の光学
式エンコーダにおいては、基本波成分が、格子間隔が変
化しても変動せず、常に３次や５次ひずみ成分を含まな
い正弦波状の変位信号を得ることができる。さらに、１
／２ピッチ周期という細かな周期信号に対して、ひずみ
のない正弦波状の変位信号を得ることができる。
【００１３】次に第３実施形態について図４に従って説
明する。この実施形態では、第１回折格子５０は振幅変
調型の回折格子であり、第２回折格子５２は、位相格子
である。本実施形態では、この位相格子における０次回
折光が生じないように、格子の凹凸の厚み差が設定され
ている。この第２回折格子５２では、０次を含まない±
１次以上の回折が生じる。光電変換素子５４では、２つ
の回折格子を２度の回折（２重回折と呼ぶ）した後の０
次回折光を受光する。第１回折格子における０次回折光
は、第２回折格子において０次成分として直進できない
ので、２重回折した後の０次回折光には含まれない。こ
こで、支配的な成分は、第１回折格子において±１次の
回折をして、さらに第２回折格子においても±１次の回
折をした２重回折した後の０次回折光となる成分であ
る。この成分が、基本波成分を形成する。この±１次光
は、光路長の相等しい成分どうしの干渉であるので、格
子間隔の変化の影響をうけない。従って、格子間隔が変
化しても、変位信号の基本波成分が変化しない。また、
±１次の干渉は、格子ピッチＰの変位に対して、２周期
の明暗を生じさせるので、基本周期はＰ／２である。こ
れに対して、第１回折格子における２次以上の回折光成
分も高次成分として、同様にして２重回折後の０次回折
光に含まれる。
【００１４】この第２回折格子５２に用いられる位相格
子の実施形態について図５に従って説明する。図５に示
す位相格子は、０次回折光を消去するような厚み差Ｌと
なっているだけでなく、溝部５６と条部５８のつくる凹
凸の高低パターンが変調されている。この凹凸パターン
は、その条部５８の中心の間隔がＰ周期となっている
が、その幅がＰ／２でなく、また均一でない。図５に示
すように条部５８の幅が、条部５８-0が１７Ｐ／３０、
条部５８-1が２３Ｐ／３０、条部５８-2が７Ｐ／３０、
条部５８-3が１３Ｐ／３０、の順序で繰り返し配列され
ている。この条部５８-0〜５８-3の幅は図３に示された
透過部３６-0〜３６-3の幅と同一である。このような凹
凸を有する位相格子の入射光束の位相変化φ（ｘ）は、
図５（ｂ）のようになる。この位相変化φ（ｘ）の矩形
パターンである位相パターンには、図３のエンコーダに
ついて説明したのと同様に、３次及び５次の高調波成分
が含まれない。この位相格子の透過率ｔ（ｘ）はｅｘｐ
（ｊφ（ｘ））で表され、この透過率ｔ（ｘ）にも、３
次及び５次の高調波成分が含まれない。従って、光電変
換素子で得られる光強度には、３次と５次のひずみ成分
が含まれない。
【００１５】また、前述のように、第２回折格子５２の
位相格子の厚み差により０次回折光が生じないので、基
本波成分は、格子間隔によって変化しない。従って、本
実施形態の光学式エンコーダは、格子間隔によらず、基
本波成分が変動せず、常に３次や５次ひずみ成分を含ま
ない正弦波状の変位信号を得ることができる。本実施形
態の長所は、前述した実施形態に対して、コストを低減
できることにある。現在の工業的な技術レベルからいう
と、位相格子よりも、振幅変調型の回折格子の方が製作
が容易である。そして、第１回折格子５０は、第２回折
格子５２よりも、一般的に非常に長い。従って、振幅変
調型の回折格子を第１回折格子に配する構成の方がコス
ト面で有利である。
【００１６】図６には、第２回折格子の他の例が示され
ている。この例の第２回折格子６２は位相格子であっ
て、厚み差Ｌは０次回折光を消去する値となっており、
さらに条部６８が配列される周期が変調されている。図
６では、それぞれの条部６８に６８-0、６８-1、６８-
2、６８-3の記号が付けてある。図示の条部６８は、条
部６８ー0からＰの整数倍の位置に対して、条部６８-1が
Ｐ／６、条部６８-2がＰ／１０、条部６８-3が４Ｐ／１
５だけ位置シフトがされている。条部６８の幅はＰ／２
である。このような凹凸を有する位相格子の入射光束の
位相変化φ（ｘ）は、図６（ｂ）のようになる。この位
相変化φ（ｘ）の矩形パターンには、３次及び５次の高
調波成分が含まれない。これらの高調波成分を消去する
ために、条部の位置関係が上述のシフトがされている。
条部６８-0と条部６８-1の位置関係に設けられている位
置シフト量は、図６（ｂ）に示される位相変化におい
て、互いの位相変化量の３次のフーリェ成分を相殺する
ようにＰ／６となっている。３次のフーリェ成分は、Ｐ
／３周期成分であるので、Ｐ／３周期の反転成分を加算
することにより３次のフーリェ成分は相殺されるので、
Ｐ／（２・３）＝Ｐ／６の位置シフト量を設ければよ
い。条部６８-2と条部６８-3についても同様に互いの３
次のフーリェ成分を相殺するようにＰ／６の位置シフト
が設けられている。さらに、条部６８-0と条部６８-1の
組の位相変化に対して、条部６８-2と条部６８-3の組の
位相変化が、５次のフーリェ成分を相殺するようにＰ／
（２・５）＝Ｐ／１０の条部６８に位置シフトが設けら
れている。結局、３次と５次のフーリェ成分を相殺する
ために、条部６８-1にはＰ／６、条部６８-2にはＰ／１
０、条部６８-3には、Ｐ／６＋Ｐ／１０＝４Ｐ／１５の
位置シフトを設けている。シフトする方向によっては、
シフト量にマイナスの符号をつけてもよい。例えば、条
部６８-1〜条部６８-3のシフト量は、−Ｐ／６，Ｐ／１
０，−Ｐ／６＋Ｐ／１０＝Ｐ／１５としてもよい。同様
にして、ａ次、ｂ次の周期成分を除去するには、Ｐ／
（２・ａ）、Ｐ／（２・ｂ）ならびに、これらを組み合
わせた和であるＰ／（２・ａ）＋Ｐ／（２・ｂ）の位置
シフト量を設ければよい。
【００１７】この位相格子の透過率ｔ（ｘ）はｅｘｐ
（ｊφ（ｘ））で表され、この透過率ｔ（ｘ）にも、３
次及び５次の高調波成分が含まれない。従って、光電変
換素子で得られる光強度には、３次と５次のひずみ成分
が含まれない。従って、本実施形態の光学式エンコーダ
は、格子間隔によらず、基本波成分が変動せず、常に３
次や５次ひずみ成分を含まない正弦波状の変位信号を得
ることができる。
【００１８】図７には、さらに別の第２回折格子の例が
示されている。この例の第２回折格子７２は位相格子で
あって、厚み差Ｌは０次回折光を消去する厚み差となっ
ており、さらに条部７８が配列される周期が変調されて
おり、その変調により位相変化φ（ｘ）に１３次までの
フーリェ成分が含まれておらず、透過率ｔ（ｘ）にも、
１３次までのフーリェ成分が含まれない。図６では、そ
れぞれの条部７８に７８-0、７８-1、７８-2、７８-3・
・・７８-32 の記号が付けてある。条部７８-0と条部７
８-1は、位相変化において、互いの３次のフーリェ成分
を相殺するようにＰ／６の位置シフトが設けられてい
る。条部７８-2と条部７８-3についても同様である。さ
らに、条部７８-0と条部７８-1の組に対して、条部７８
-2と条部７８-3の組はＰ／１０の凸の位置シフトが設け
られており、位相変化φ（ｘ）の５次のフーリェ成分が
相殺されるようになっている。これらの位置シフト量
は、前述した図６の例と同様に、Ｐ／（２・３）、Ｐ／
（２・５）ならびにこれらの組み合わせの和に相当する
Ｐ／（２・３）＋Ｐ／（２・５）である。さらに条部７
８-0〜条部７８-3の組に対して、条部７８-4〜条部７８
-7の組の位相変化が、７次のフーリェ成分を相殺するよ
うにＰ／１４の条部７８の位置シフトが設けられてい
る。つまり、位置シフトが０、Ｐ／（２・３）、Ｐ／
（２・５）、Ｐ／（２・３）＋Ｐ／（２・５）とこれら
に対してＰ／１４の凸の位置シフトを加算したＰ／１
４、Ｐ／（２・３）＋Ｐ／１４、Ｐ／（２・５）＋Ｐ／
１４、Ｐ／（２・３）＋Ｐ／（２・５）＋Ｐ／１４であ
る。これらの値は、Ｐ／（２・３）、Ｐ／（２・５）、
Ｐ／（２・７）の有無の組み合わせによって表せるもの
である。同様に、条部７８-0〜条部７８-7の組に対し
て、条部７８-8〜と条部７８-15の組がＰ／２２の位置
シフトを、条部７８-0〜条部７８-15 の組に対して、条
部７８-16 〜と条部７８-31 の組がＰ／２６の位置シフ
トを凸部に設けることによって、位相変化における１１
次と１３次のフーリェ成分を相殺するようにしている。
これらの位置シフト量は、Ｐ／（２・３）、Ｐ／（２・
５）、Ｐ／（２・７）、Ｐ／（２・１１）、Ｐ／（２・
１３）の有無の組み合わせによって表せるものである。
これにより条部７８-0〜条部７８-31 において、位相変
化φ（ｘ）に１３次までのフーリェ成分が存在しない。
図５や図６に示す第２回折格子を用いた場合には、変位
信号において、３次や５次のひずみ成分は含まれない
が、７次や１１次等の高次ひずみフーリェ成分は含まれ
ていた。これに対して、図７に示す第２回折格子を用い
ることで、格子間隔によらず、基本波成分が変動せず、
常に１３次までの高次ひずみ成分を含まないほぼ純粋な
正弦波の変位信号を得ることができる。
【００１９】このパターンでは、変位信号の３次、５
次、７次、１１次、１３次の周期成分を除去するため
に、Ｐ／（２・３）、Ｐ／（２・５）、Ｐ／（２・
７）、Ｐ／（２・１１）、Ｐ／（２・１３）ならびにこ
れらの組み合わせの和に相当する位置シフト量を設けて
いる。同様にして、ａ次、ｂ次、ｃ次、ｄ次の周期成分
を除去するには、Ｐ／（２・ａ）、Ｐ／（２・ｂ）、Ｐ
／（２・ｃ）、Ｐ／（２・ｄ）ならびに、これらの組み
合わせの和に相当する位置シフト量を設ければよい。
【００２０】ここで、左右の順序などの配置はこの限り
ではなく、これらの組み合わせを含んでいればどのよう
に行ってもよい。ここで、できるだけパターン間の間隔
が均等に近くなるように設計するとよい。本発明のさら
なる改良例を図７（ｂ）に示す。この例では、パターン
の間隔を均等に近くするために、位相シフトの量が小さ
いパターンを右端から隣接して配置し、左端へ離れるに
従って位相シフトの量が大きいパターンが配置されるよ
うに構成してある。この位相格子においても、図７
（ａ）と同様な変位信号が得られるが、この構成の長所
は、製作のしやすいところにある。図７（ａ）では、場
所により凹の幅の非常に狭い場所があってより微細な加
工精度が求められるに対して、図７（ｂ）の位相格子
は、均等に近いピッチで凹凸が形成できるからである。
なお、これらのパターンの周期は、正確には３２個の凸
で１周期であるが、全体の配置は１周期分でも良いし、
２周期以上でもよい。この構成では、簡単な二重回折の
構成で、回折光を分離させることなく、格子間隔によら
ず、基本波成分が変動せず、常にほぼ純粋な正弦波を得
ることができる。
【００２１】さらに第２回折格子の他の例を図８に示
す。この例の第２回折格子８２は位相格子であって、厚
み差Ｌは０次回折光を消去する厚み差となっており、さ
らに凸の周期ならびに凸の幅が変調されており、その変
調により位相変化φ（ｘ）に１７次までのフーリェ成分
が含まれておらず、透過率ｔ（ｘ）にも、１７次までの
フーリェ成分が含まれない。図８では、それぞれの条部
８８に８８-0、８８-1、８８-2、８８-3・・・８８-31
の記号が付けてある。条部８８-0と条部８８-1は、位相
変化において、互いの３次と５次のフーリェ成分を相殺
するように条部８８のうち８８-0と８８-1の幅が２３Ｐ
／３０、１７Ｐ／３０となっており、条部８８-2と上部
８８-3の幅は、７Ｐ／３０、１３Ｐ／３０となってい
る。条部８８-2と条部８８-3についても同様である。さ
らに、条部８８-0と条部８８-1の組に対して、条部８８
-2と条部８８-3の組の位相変化が、７次のフーリェ成分
を相殺するようにＰ／１４の条部８８の位置シフトが設
けられている。さらに条部８８-0〜条部８８-3の組に対
して、条部８８-4〜と条部８８-7の組の位相変化が、１
１次のフーリェ成分を相殺するようにＰ／２２の条部８
８の位置シフトが設けられている。さらに、条部８８-0
〜条部８８-7の組に対して、条部８８-8〜と条部８８-1
5 の組がＰ／２６の位置シフトを、条部８８-0〜条部８
８-15 の組に対して、条部８８-16 〜と条部８８-31 の
組がＰ／３４の位置シフトを条部８８に設けることによ
って、位相変化における１３次と１７次のフーリェ成分
を相殺するようにしている。これにより条部８８-0〜条
部８８-31 において、位相変化φ（ｘ）に１７次までの
フーリェ成分が存在しない。この実施形態による第２回
折格子の長所は、図７に同じ３２個の凹凸によって、よ
り高次の１７次までのフーリェ成分が存在しないことに
ある。図８に示す第２回折格子を用いることで、格子間
隔によらず、基本波成分が変動せず、常に１７次までの
高次ひずみ成分を含まないより純粋な正弦波の変位信号
を得ることができる。
【００２２】次に第４の実施形態について説明する。前
述の実施形態においては、その変位信号の基本波成分
は、格子ピッチの１／２となる。しかし、このような構
成の光学式エンコーダでは、厚み差Ｌに誤差があると、
０次回折光成分が完全に消滅されずに一部残ってしまい
そのため、変位信号に格子ピッチの周期成分が、従来の
光学式エンコーダに比べると極めて少ないが生じてしま
う。また、この成分が、格子間隙の変化によって変動し
てしまう。本実施形態は上記の誤差を除去するものであ
る。本実施形態は、第２回折格子８２に図９に示す溝部
８６と条部８８の配列パターンである凹凸パターンを有
する位相格子を用いたものである。このパターンでは、
３次や５次のひずみ成分とともに、厚みＬの誤差によっ
て生じた格子ピッチの周期成分を除去するようになって
いる。条部９８-0、９８-1、９８-2、９８-3は図６に示
した実施形態と同様にして、位相変化φ（ｘ）のパター
ンには、３次及び５次の高調波成分が含まれない。条部
９８-0と条部９８-1は、位相変化において、互いの３次
のフーリェ成分を相殺するようにＰ／６の位置シフトが
設けられている。条部９８-2と条部９８-3についても同
様である。さらに、条部９８-0と条部９８-1の組に対し
て、条部９８-2と条部９８-3の組の位相変化が、５次の
フーリェ成分を相殺するようにＰ／１０の条部の位置シ
フトが設けられており、条部９８-0、９８-1、９８-2、
９８-3で構成された部分の位相格子の透過率ｔ（ｘ）に
は、３次及び５次の高調波成分が含まれず、光電変換素
子で得られる光強度には、３次と５次のひずみ成分が含
まれない。しかし、厚みＬに誤差があると、格子ピッチ
の周期成分に変位信号が含まれてしまう。この変位信号
に対して、９８-0’、９８-1’、９８-2’、９８-3’で
構成された部分の位相格子を経た光束は、光電変換素子
で得られる光強度において、Ｐ／２の位相差がある。従
って、これらを一緒に受光することによって格子ピッチ
の周期成分が相殺され、変位信号に含まれない。なお、
Ｐ／２周期の基本波成分は、同相であるので強調しあっ
て大きくなる。
【００２３】光電変換素子５４は、第２回折格子から離
して配置し、フラウンホーファー領域で受光すればよい
が、この場合、フーリエ変換レンズで、回折光を分離し
集光するようにしてもよい。また、光電変換素子５４
は、第２回折格子の直後に配置してもよい また、光学的な配置については、この例に限らず、長手
方向に長い第１回折格子と短い第２回折格子の配置を逆
にしてもよい。
【００２４】第５の実施形態を図１０に示す。この構成
では、第１回折格子１００は位相格子であり、それに対
して第２回折格子ではなく、光電変換素子が直接、対面
している。第１回折格子１００は、その厚みＬが、０次
回折光成分を消滅する厚みとなっている。光電変換素子
は、図１１に示すように格子状となっている。一つ一つ
の素子の幅は、第１回折格子１００の格子ピッチＰの半
分である。光電変換素子６４は、第１回折格子１００で
回折された光束を受光する。この光束には、０次回折光
は含まれないので、格子ピッチを周期成分とする干渉を
生じさせていた０次回折光と１次回折光の干渉がない。
±１次光の干渉により格子ピッチの半分の周期成分が、
基本波成分となる。この±１次光は、光路長の相等しい
成分どうしの干渉であるので、格子間隔の変化の影響を
うけない。この干渉光を直接光電変換素子１０４で受光
するようになっている。この光電変換素子１０４は、位
置の分割を行なうために、位相の異なる複数の変位信号
ａ、ｂ，ａ／，ｂ／を得るようになっている。ａ、ｂ，
ａ／，ｂ／用の受光素子は、図示のように交互に配置さ
れており、光電変換素子１０４の中で、分散して平均的
に入り混じって配置されている。この例では、互いに９
０deg ずつの位相差を持たせるために、図示のように、
隣り合う素子の周期は、５Ｐ／８となっている。この場
合、図１１に示した右端のａ用の受光素子に対して、次
のａ用の受光素子は、左側へ５Ｐ／２の位置にくるはず
であるが、５Ｐ／２＋Ｐ／２０となっている。これは、
さらに５Ｐ＋２Ｐ／１５、１５Ｐ／２＋Ｐ／１２の位置
に配置される受光素子とともに周期を変調した形となっ
ており、３次と５次の高次ひずみ成分を除去するように
なっている。この周期の変調の仕方により、他の高次ひ
ずみ成分を除去することも可能である。
【００２５】また、これまでの実施形態では、変位信号
のひずみ成分を除去する方法として、第２回折格子の周
期や幅を変調する例を示したが、これを第１回折格子に
設けてもよい。その際、第１回折格子は、位相格子で
も、従来の振幅変調格子でもよい。また、これまで、条
部や透過部の周期や幅を変調する例を示したが、溝部や
非透過部の周期や幅を変調してもよい。変調は、格子の
形状やその他の方式で行なってもよい。格子パターンの
変調による高次ひずみ成分の除去は、３、５、７、１
１、１３次等の奇数次ひずみ成分に対して複数の次数に
対して行なってもよいし、ある次数に対してのみ行なっ
てもよいし、２次や偶数次のひずみ成分に対して行なっ
てもよい。偶数次の成分については、変位信号の位相が
１８０deg 異なる信号を生成し、その反転信号の差をと
ることで除去できるので、このように変位信号レベルで
除去してもよい。また、位相格子は、両方の格子に用い
てもよい。さらに、反射型の回折格子を用いてもよい。
発光される光束は、レーザダイオード等のコヒーレント
なものでもよいし、ＬＥＤなどのインコヒーレントなも
のを用いてもよい。この光束は、平行光束でも、非平行
でもよい。また、本発明は、直線式でも回転式のエンコ
ーダでも用いることができる。円筒部材の周囲に位相格
子を設けたトルボット干渉を利用したエンコーダにも用
いることができる。第１の格子のピッチと第２の格子の
平均的なピッチはほぼ同じでも、１：２等の異なったピ
ッチでも本発明は適用可能であり、本発明は上記実施形
態に限定されるものではない。
【００２６】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、格子間隔
が変動しても、常に純粋な正弦波状の変位信号が得ら
れ、なおかつ、変位信号の基本波成分が変動しない光学
式エンコーダを簡単な二重回折の構成で、回折光の分離
等をせずに小型かつ容易に実現できる。また、変位信号
が格子ピッチの１／２であり、この１／２ピッチ信号に
対して正弦波状の変位信号が得られ、より微細な位置検
出が可能となるので、例えば工作機械において精度の高
い加工を容易に行うことが可能となり、生産効率の向上
を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ふたつの回折格子を有する光学式エンコーダの
概略構成を示す斜視構造図である。
【図２】図１のエンコーダの格子部の例を示す図であ
る。
【図３】ふたつの回折格子を有する光学式エンコーダの
格子部の他の例を示す図である。
【図４】本発明にかかる光学式エンコーダの第３の実施
形態を示す斜視構造図である。
【図５】第３の実施形態の格子部の例を示す図である。
【図６】第３の実施形態の格子部の例を示す図である。
【図７】第３の実施形態の格子部の例を示す図である。
【図８】第３の実施形態の格子部の例を示す図である。
【図９】本発明にかかる光学式エンコーダの第４の実施
形態の格子部の例を示す図である。
【図１０】本発明にかかる光学式エンコーダの第５の実
施形態を示す斜視構造図である。
【図１１】本発明にかかる光学式エンコーダの第５の実
施形態の光電変換部の例を示す図である。
【図１２】従来の光学式エンコーダの格子部の例を示す
図である。
【図１３】従来の光学式エンコーダによる変位信号の基
本波成分を示す図である。
【符号の説明】
２０，５０，１００ 第１回折格子 ２２，３２，５２，６２，７２，８２，９２ 第２回折
格子 ２４，５４，１０４ 光電変換素子 ２６，５６ 溝部 ２８，５８，６８，７８，８８，９８ 条部 ３２，３６ 透過部 ３０ 非透過部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−221713（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−26885（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−334609（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−285673（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 (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ふたつの回折格子を通過する光束の光量
    が、当該ふたつの回折格子を相対変位させたときに変化
    することに基づき、前記相対変位量を検出する光学式エ
    ンコーダであって、 前記ふたつの回折格子の少なくとも一方は、２種の領域
    が交互に配列される位相格子であって、前記２種の領域
    は、その一方の種の領域を通過した光束と、他方の種の
    領域を通過した光束とを、互いに異なる位相とする領域
    であって、これらの位相の差により０次回折成分が消去
    される位相格子であり、 さらに、前記２種の領域の配列は、前記位相格子を通過
    した光束の、前記２種の領域の配列方向に関する位相パ
    ターンが、少なくとも３次の高次フーリェ成分を含まな
    いようになされている、 光学式エンコーダ。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載された光学式エンコーダ
    であって、 前記２種の領域は、これを通過する光束の光軸方向の厚
    さが互いに異なり、この厚さの相異により、前記通過し
    た光束の位相の差を生じさせるものであり、 前記２種の領域のうち一方の、前記配列方向の幅は、除
    去すべき高次フーリェ成分をａ次およびｂ次としたとき
    に、 【数１】 で表される幅を有し、前記位相パターンがａ次およびｂ
    次の高次フーリェ成分を含まない、 光学式エンコーダ。
  3. 【請求項３】 請求項１に記載された光学式エンコーダ
    であって、 前記２種の領域は、それぞれの通過する光束の光軸方向
    の厚さが異なり、この厚さの相異により、前記通過した
    光束の位相の差を生じさせるものであり、 前記２種の領域のうち一方の、前記配列方向の配列周期
    は、除去すべき高次フーリェ成分をａ次およびｂ次とし
    たときに、平均の配列周期Ｐに対し、Ｐ／（２・ａ）お
    よびＰ／（２・ｂ）およびＰ／（２・ａ）＋Ｐ／（２・
    ｂ）だけシフトした配列であり、前記位相パターンがａ
    次およびｂ次の高次フーリェ成分を含まない、 光学式エンコーダ。
  4. 【請求項４】 請求項１に記載された光学式エンコーダ
    であって、 前記２種の領域は、それぞれの通過する光束の光軸方向
    の厚さが異なり、この厚さの相異により、前記通過した
    光束の位相の差を生じさせるものであり、 前記２種の領域のうち一方の、前記配列方向の幅は、除
    去すべき高次フーリェ成分をａ次およびｂ次としたとき
    に、 【数２】 で表される幅を有し、 さらに、前記一方の領域の、前記配列方向の配列周期
    は、除去すべき高次フーリェ成分をａ次およびｂ次とし
    たときに、平均の配列周期Ｐに対し、前記位相格子の実
    際の配列が、Ｐ／（２・ａ）およびＰ／（２・ｂ）およ
    びＰ／（２・ａ）＋Ｐ／（２・ｂ）だけシフトした配列
    であり、 前記位相パターンがａ次、ｂ次、ｃ次およびｄ次の高次
    フーリェ成分を含まない、 光学式エンコーダ。
  5. 【請求項５】 ふたつの回折格子を通過する光束の光量
    が、当該ふたつの回折格子を相対変位させたときに変化
    することに基づき、前記相対変位量を検出する光学式エ
    ンコーダであって、 前記ふたつの回折格子の少なくとも一方は、同一平面内
    に配置される２種の部分から構成される位相格子であっ
    て、 前記２種の部分のそれぞれは、２種の領域が交互に配列
    される位相格子であって、前記２種の領域は、一方の種
    の領域を通過した光束と、他方の種の領域を通過した光
    束とを、互いに異なる位相とする領域であって、これら
    の位相の差により０次回折成分が消去される位相格子で
    あり、 さらに、前記２種の領域の配列は、前記位相格子を通過
    した光束の、これらの領域の配列方向に関する位相パタ
    ーンが、少なくとも３次の高次フーリェ成分を含まない
    ようになされており、 前記２種の部分は、前記２種の領域の配列方向におい
    て、平均の配列周期Ｐに対して、ｎＰ±（Ｐ／２）だけ
    ずれて配置されている、光学式エンコーダ。
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