JP4576013B2 - 光学式エンコーダ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光学式エンコーダに係り、特に、精密メカニズムの変位量を検出する光学式変位センサとして適用可能な光学式エンコーダに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学式変位センサとして適用可能な光学式エンコーダの構成に関する従来技術として、まず、本発明者による第１の従来例（特願平１１ー６４１１号）を説明する。
【０００３】
図９の（ａ），（ｂ）は、この従来例（特願平１１ー６４１１号）による光学式エンコーダの構成図を示している。
【０００４】
すなわち、この光学式エンコーダは、図９の（ａ），（ｂ）に示すように、可干渉光源である半導体レーザ１（または面発光レーザ１０）から出射したレーザビームを透過型の回折格子スケール２に照射し、これにより生成される回折干渉パターンの特定部分が光検出器３または光検出器３３のいずれかにより検出されるように構成されている。
【０００５】
尚、以下では、可干渉光源を単に光源とも記述する。
【０００６】
さて、可干渉光源である半導体レーザ１と光検出器３がスケール２に対して同じ側に配置される場合には、図９の（ａ）に示すように、半導体レーザ１（または面発光レーザ１０）から出射した光ビームの主軸５は、スケール面の垂線に対して角度φだけ傾斜して配置される。
【０００７】
次に、このように構成される光学式変位センサとして適用可能な光学式エンコーダの動作を説明する。
【０００８】
図９の（ａ）に示すように、各構成パラメータを以下のように定義する。
【０００９】
ｚ１：光源からスケール上の回折格子を形成した面に至る距離を、光ビームの主軸上で測った長さ、
ｚ２：スケール上の回折格子を形成した面から光検出器の受光面に至る距離を光ビームの主軸上で測った長さ、
ｐ１：スケール上の回折格子のピッチ、
ｐ２：光検出器の受光面上の回折干渉パターンのピッチ、
θｘ：スケール上の回折格子のピッチ方向に対する光源の光ビームの拡がり角、 θｙ：上記θｘに対して垂直方向の光源の光ビームの拡がり角、
但し、光ビームの拡がり角は光ビーム強度がピークとなる方向に対して１／２となる一対の境界線６のなす角を示す。
【００１０】
尚、「スケール上の回折格子のピッチ」とは、スケール上に形成された光学特性が変調されたパターンの空間的な周期を意味する。
【００１１】
また、「光検出器の受光面上の回折干渉パターンのピッチ」とは、受光面上に生成された回折干渉パターンの強度分布の空間的な周期を意味する。
【００１２】
光の回折理論によると、ｚ１，ｚ２が、以下の（１）式に示す関係を満たすような特定の関係にあるときには、スケールの回折格子パターンと相似な強度パターンが光検出器の受光面上に生成される。
【００１３】
（１／ｚ１）＋（１／ｚ２）＝λ／ｋ（ｐ１）² …（１）
ここで、λは光源から出射される光ビームの波長、ｋは整数である。
【００１４】
このときには、受光面上の回折干渉パターンのピッチｐ２は他の構成パラメータを用いて以下の（２）式に示すように表すことができる。
【００１５】
ｐ２＝ｐ１（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１ …（２）
前記光源１に対して前記スケール２が回折格子のピッチ方向に変位すると、同じ空間周期を保った状態で回折干渉パターンの強度分布がスケール２の変位する方向に移動する。
【００１６】
従って、光検出器３の受光エリア４の空間周期ｐ２０をｐ２と同じ値に設定すれば、スケールがピッチ方向にｐ１だけ移動する毎に光検出器３から周期的な強度信号が得られるので、スケール２のピッチ方向の変位量を検出することができる。
【００１７】
ここで、図９の（ａ），（ｂ）に示すように、スケール２に対して光源１と光検出器３を同じ側に配置し、ｚ１＝ｚ２となるように配置すれば、スケール２と光源１の空間ギャップが変動しても、（２）式より、受光面上の回折干渉パターンのピッチは変化しない。
【００１８】
さらに実用においては、光検出器の空間周期Ｐ２０の受光素子群をＰ２０／４の間隔でずらせて、交互に配置した４群の受光素子群を形成し、これら各群の受光素子からの出力を各々、Ｖａ，Ｖｂ，Ｖａ′，Ｖｂ′とし、Ｖａ−Ｖａ′とＶｂ−Ｖｂ′をエンコーダのいわゆるＡ相（正弦波）、Ｂ相（余弦波）出力として利用される。
【００１９】
また、特願平１１−６４１１号では、Ｖａ，Ｖｂ，Ｖａ′，Ｖｂ′の各出力の演算和をとることによりレーザビームの強度をモニタすることができるため、環境変化や経時変化などによるレーザビームの強度変化を一定にするようにフィードバックしたり、あるいは、Ａ相（またはＢ相）出力信号とＶａ，Ｖｂ，Ｖａ′，Ｖｂ′の各出力の演算和の信号との適当な演算を行うようにしたりすることにより、環境変化や経時変化などによるレーザビームの強度変化の影響をある程度は、補正することが可能である。
【００２０】
次に、第２の従来技術として、本発明者による第２の従来例（特願平１１−６４１１号）を説明する。
【００２１】
図１０の（ａ），（ｂ）は、この第２の従来例（特願平１１ー６４１１号）による光学式エンコーダの構成図を示している。
【００２２】
この光学式エンコーダでは、図１０の（ａ），（ｂ）に示すように、可干渉光源である半導体レーザ１（または面発光レーザ１０）から出射したレーザビームの主軸５がスケール面の垂線に対して傾斜する方向が異なっている。
【００２３】
すなわち、この第２の従来例では、図１０の（ｂ）に示すように、光ビ−ムの主軸５とスケールのピッチ方向は垂直に保持されるのに対し、前述した第１の従来例では、図９の（ｂ）に示すように、光ビームの主軸５とスケールのパターン方向が垂直に保持されている。
【００２４】
さて、第１の従来例において、光学式変位センサとして適用可能な光学式エンコーダの組立時の初期的な配置誤差や、スケールの変位による機械的な揺らぎにより、ｚ１，ｚ２が（１）式で示した関係式からずれた場合を考える。
【００２５】
一例として、光検出器はスケールに対して光源と同じ側に配置されている光検出器３を使う場合を考える。
【００２６】
例えば、光源と受光面は固定されており、これら各々とスケールが図９の（ａ）に示すように、スケール２の位置からスケール２２の位置にΔｚだけずれた場合、すなわち、センサヘッドとスケールのギャップが変動した場合には、図９の（ａ）の光強度分布は曲線１３が、曲線１４に示すように変化する。
【００２７】
すなわち、受光面上の回折干渉パターンが僅かに乱れるだけでなく、受光面上の回折干渉パターン位置がｘ方向に移動するため、エンコーダの出力が変化してしまう。
【００２８】
従って、第１の従来例においては、スケールのｘ方向の変位を計測しようとしても、スケールとヘッドのギャップ変動の影響により誤差が生じる。
【００２９】
一方、第２の従来例においては、光ビ−ムの傾斜方向が異なり、光ビームの主軸５とスケールのピッチ方向（図ではｘ方向）は垂直に保持されるため、図１０の（ａ）の光強度分布図に示すように、センサヘッドとスケールのギャップが変動しても、光強度分布は曲線１３が曲線１４に変化する。
【００３０】
この場合には、受光面上の回折干渉パターンが僅かに乱れるだけであり、受光面上の回折干渉パターン位置はｘ方向に移動することはない。
【００３１】
従って、第２の従来例においては、スケールとヘッドのギャップ変動の影響を殆ど受けないで、スケールのｘ方向の変位を正確に検出することができる。
【００３２】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、スケールパターンの異なる複数のトラックに各々レーザビームを照射すれば、基準点検出機能や、絶対位置検出機能が実現することが可能になるが、上述の第１および第２の従来例のエンコーダにおいては、スケールのパターンを複数設けて、基準点検出機能や、絶対位置検出機能を付加する方法については提案がなされていない。
【００３３】
従来例のスケールとヘッドのギャップ変動の影響の問題点を避けて、これらの機能を持たせるには本発明による解決手段で記述するように、特殊な構成が必要になる。
【００３４】
ここで、スケールパターンの異なる複数のトラックに各々レーザビームを照射する構成を「マルチビーム＆トラック構成」と略して呼ぶことにする。
【００３５】
先に示した従来例の構成を、マルチビーム＆トラック構成に拡張する場合のもっとも単純な形態は、図１１の（ａ）や、図１１の（ｂ）が考えられる。
【００３６】
ここで、図１１の（ａ）は、マルチトラックの一方を基準位置検出用の単一パターンにした場合である。
【００３７】
また、図１１の（ｂ）は、マルチトラックの一方を他方のトラックのパターンと異なるピッチで形成した回折パターンとした場合であり、バ−ニアエンコーダの原理で、双方のピッチの最小公倍数のスケール移動範囲で絶対値測定を行うことができる。
【００３８】
しかしながら、これらの構成では、前述のように、スケールのｘ方向の変位を計測しようとしても、スケールとヘッドのギャップ変動の影響により回折干渉パターンが受光面上でｘ方向に移動するため、ｘ方向の変位計測に誤差が生じる問題が避けられない。
【００３９】
従来例の第２の問題点は、光源のレーザ光出射面とスケール面および光検出器の受光面を傾斜させて配置することが必要となることにより、光学式変位センサとして適用可能な光学式エンコーダの組立が難しくなる点である。
【００４０】
実際の製造工程においては、顕微鏡下で半導体レーザ１（または面発光レーザ１０）の傾斜基板面へのダイボンディング、さらには、傾斜した半導体レーザ電極への配線のワイヤボンディングが必要となる。
【００４１】
これらの組立工程では、傾斜を補正する冶具が必要になり、さらに、傾斜した部品を顕微鏡観察するために、顕微鏡焦点を上下する必要があり、組立の難度が高く、また、組立時間が長く、組立コストが高いものとなる。
【００４２】
従来例の第３の問題点は、実用においては、レーザ光の強度検出モニタとして利用される前述したＶａ，Ｖｂ，Ｖａ′，Ｖｂ′の各出力の演算和がスケールの移動時に僅かながら変動するため、光源出力のフィードバックや補正時にスケール移動に伴う揺らぎが生じることである。
【００４３】
これは、正確な理由は不明であるが、受光面上の干渉パターンが理論的な形状から僅かにずれることによるものとみられている。
【００４４】
本発明における解決課題をまとめると、以下のようになる。
【００４５】
１）基準点検出機能や、絶対位置検出機能を有するとともに、スケールとヘッドのギャップ変動の影響を殆ど受けないで、スケールのｘ方向の変位を正確に検出できるエンコーダを提供すること。
【００４６】
２）傾斜基板を使わない実装形態により、組立コストを低減すること。
【００４７】
３）周囲環境が変化してもエンコーダ信号出力を安定化できる構成と手段を提供すること。
【００４８】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、基準点検出機能や、絶対位置検出機能を有し、スケールとヘッドのギャップ変動の影響を殆ど受けないで、スケールのｘ方向の変位を正確に検出することができるとともに、傾斜基板を使わない実装形態により、組立コストを低減し、周囲環境が変化してもエンコーダ信号出力を安定化することができる構成と手段とを備えた光学式変位センサとして適用可能な光学式エンコーダを提供することを目的とする。
【００４９】
【課題を解決するための手段】
本発明によると、上記課題を解決するために、
（１） 可干渉光源と、
前記可干渉光源からの光ビームを反射または回折、透過する第１のスケールパターンおよび第２のスケールパターンとが形成されて可動可能に支持されたスケールと、
前記可干渉光源と前記スケールとの間に設けられ、前記可干渉光源から出射された光ビームを複数のビームに分岐するビーム分岐光学素子と、
前記ビーム分岐光学素子によって分岐された光ビームを検出する第１および第２の光検出器とを有し、
前記第１の光検出器は、前記ビーム分岐光学素子により分岐された第１の光ビームが前記第１のスケールパターンで反射または回折、透過することにより受光面上に形成された回折干渉パターンの空間周期方向に、
前記可干渉光源の光ビーム出射面から前記第１のスケールパターンが形成された面までの第１の光ビームの主軸に沿った光学的距離をｚ１１、前記第１のスケールパターンが形成された面から前記第１の光検出器までの第１の光ビームの主軸に沿った光学的距離をｚ２１、前記第１のスケールパターンの空間周期をｐ１１、ｎを自然数としたときに、
略ｎｐ１１（ｚ１１＋ｚ２１）／ｚ１１となる間隔ｐ２１で形成された各々が複数の受光エリアからなる複数の受光エリア群を有し、
更に、前記可干渉光源と光検出器を同じ側に、ｚ１１＝ｚ２１となるように配置するとともに、
前記ビーム分岐光学素子により分岐された複数の光ビームのうち第２の光ビームは前記第２のスケールパターンにより反射または回折、透過し前記第２の光検出器によつて受光されることを特徴とする光学式エンコーダが提供される。
【００５０】
（対応する発明の実施の形態）
この発明に関する実施の形態は、第１乃至７の実施の形態が対応する。
【００５１】
ここで、「可干渉光源」は、これらの実施の形態では垂直共振器型面発光レーザ１０を中心に記載したが、一般の半導体レーザ１やその他の可干渉性のある光ビームを出射可能な光源を含むものである。
【００５２】
また、「光学的距離」とは、光ビームの波長を基準にして測定した距離を意味する。
【００５３】
例えば、距離を計測する領域で屈折率が一定な場合には、幾何学的に計測した距離を指すが、屈折率が異なる場合は、計測する経路に沿って幾何学的距離に屈折率分布による光波長の変化分の寄与を考慮したものを意味する。
【００５４】
また、「回折干渉パターンを生成する所定周期のスケールパターン」とは、振幅あるいは位相などの光学特性の周期変調パターンを形成した回折格子を意味し、受光面上に回折干渉パターンを生成する反射型回折格子、透過型回折格子などのあらゆる回折格子を含む。
【００５５】
また、「光検出器は前記回折干渉パターンの空間周期方向に略ｎｐ１１（ｚ１１＋ｚ２１）／ｚ１１の間隔ｐ２１で形成された各々が複数の受光エリアからなる複数の受光エリア群を有して前記回折干渉パターンの所定部分を受光する」とは、受光面上における前記回折干渉パターンのピッチ方向に略ｎｐ１１（ｚ１１＋ｚ２１）／ｚ１１の間隔で形成された複数の受光エリアの出力を加算して出力するように構成されている受光素子群を意味するとともに、この受光素子群が複数形成されている場合も含まれる。
【００５６】
尚、各受光エリアの間隔をきめるｎの値は、必ずしも全域に渡って一定である必要はない。
【００５７】
また、「前記回折干渉パターンのピッチ方向にｎｐ１１（ｚ１１＋ｚ２１）／ｚ１１の間隔ｐ２１で形成された各々が複数の受光エリアからなる複数の受光エリア群」における数値条件ｎｐ１１（ｚ１１＋ｚ２１）／ｚ１１については、多少これからずれてもセンサとしては機能するため、本発明を実施するにおいて、数値条件ｎｐ１１（ｚ１１＋ｚ２１）／ｚ１１から±３０％程度のずれがあっても本発明の実施範囲に含まれるものとみなすことにする。
【００５８】
（作用効果）
可干渉光源から出射した光ビームは、ビーム分岐光学素子により複数の光ビームに分岐され、このうち第１の光ビームは第１のスケールパターンに照射され、空間周期ｐ２＝ｐ１１（ｚ１１＋ｚ２１）／ｚ１１をもった回折干渉パターンを第１の光検出器の受光面上に生成する。
【００５９】
以下は簡単のためｎ＝１の場合につて説明する。
【００６０】
第１の光検出器の受光エリアは回折格子のピッチ方向にｐ２１＝ｎｐ２＝ｎｐ１１（ｚ１１＋ｚ２１）／ｚ１１の間隔で形成されているので、これらの各受光エリアは受光面上の回折干渉パターンの同じ特定の位相部分だけを検出する。
【００６１】
この回折干渉パターンはスケールが回折格子のピッチ方向にｘ１だけ変位すると、受光面上では、同じ方向にｘ２＝ｘ１（ｚ１１＋ｚ２１）／ｚ１１だけ変位するため、スケールが回折格子のピッチ方向にｐ１１だけ変位する度に、第１の光検出器から周期的な強度で変化する出力信号が得られる。
【００６２】
一方、ビーム分岐光学素子により分岐された第２の光ビームは、第２のスケールパターンに照射され、前記第２のスケールパターンにより反射または回折、透過された光ビームを受光する第２の光検出器により、その強度が検出される。
【００６３】
第１と第２のスケールパターンを後述する付記２，３，４のように組み合わせることにより、可干渉光源の光出力の強度モニタ機能、絶対位置検出機能、基準位置（または原点）検出機能を実現することができる。
【００６４】
さらに、これらの付加機能は、スケールパターン数に応じて、ビームの分岐数、光検出器の数を増やせば、二つ以上の機能を同時に実現することもできる。
【００６５】
また、可干渉光源、スケール面、受光面をすべて平行に配置できるので、傾斜基板を使わない実装形態が可能であり、組立コストを大幅に低減することができる。
【００６６】
また、本発明によると、前述の課題を解決するために、
（２） 前記第１のスケールと前記第１の光検出器との間に設けられた第１の光ビーム屈曲素子と、
前記第２のスケールと前記第２の光検出器との間に設けられた第２の光ビーム屈曲素子とを有し、
前記第１および第２の光ビーム屈曲素子は、前記第１および第２の光ビーム屈曲素子を通過後の前記第１および第２のスケールパターンで反射または回折、透過した前記第１および第２の光ビームの主軸と、前記可干渉光源から出射した直後の光ビームの主軸とが平行になるとともに、前記第１および第２のスケールパターンを透過または反射、回折した前記第１および第２の光ビームが、前記第１および第２の光ビーム屈曲素子を通過後に、各々、前記第１および第２の光検出器により受光されるように配置されることを特徴とする（１）に記載の光学式エンコーダが提供される。
【００６７】
（対応する発明の実施の形態）
この発明に関する実施の形態は、第４乃至第６の実施の形態が対応する。
【００６８】
この構成において、第１および第２の光ビーム屈曲素子とは、それぞれ、前記ビーム分岐光学素子と一体または別体のものでよい。
【００６９】
（作用効果）
本項では、（１）の発明と同様な作用・効果は省略して記述する。
【００７０】
第１のビーム分岐光学素子により分岐された第１および第２の光ビームは、各々、第１および第２のスケールパターンに照射された後、第１および第２の光ビーム屈曲素子７１，７２に照射され、ここで、再度光軸を曲げられ、各々が、第１および第２の光検出器に導かれる。
【００７１】
第１のビーム分岐光学素子ならびに第１および第２の光ビーム屈曲素子が光軸を曲げる角度を同じに設定すれば、第１および第２の光ビームの主軸は、この主軸がスケール面に交わる点から下ろした垂線に対して対称となる。
【００７２】
さて、従来例の説明の項で記述したように、スケール２に対して光源と光検出器を同じ側に配置し、ｚ１１＝ｚ２１，ｚ２１＝ｚ２２とすれば、スケール２と光源の空間ギャップが変動しても、（２）式より、受光面上の回折干渉パターンのピッチが変化しないことがわかっている。
【００７３】
従って、この発明の構成によれば、非常に簡単な設計で、第１および第２の光ビームの主軸上で測った光源からスケール面に至る光学的距離と、スケールから受光素子に至る光学的距離を同じにすることができるという利点がある。
【００７４】
尚、受光面と光源の仮想的な点光源の高さが異なる場合には、光軸の光路中にそれを補正する光学素子を挿入すればよい。
【００８２】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００８３】
（第１の実施の形態）
図１および図２は、本発明の第１の実施の形態による光学式エンコーダとして適用される光学式変位センサの構成を示している。
【００８４】
ここで、図１の（ａ）および図２（ａ）は、この第１の実施の形態におけるスケール２を−ｚ方向に向かって見た平面図である。
【００８５】
また、図１の（ｂ）は、本実施形態のｙｚ面内の断面図である。
【００８６】
また、図２の（ｂ）は、本実施形態の図２の（ａ）におけるａ１−ａ１′断面に対するｘｚ面内の断面図である。
【００８７】
また、図２の（ｃ）は、同じく図２の（ａ）におけるａ２−ａ２′断面に対するｘｚ面内の断面図である。
【００８８】
この発明の第１の実施の形態およびその変形例においては、次のように構成されている。
【００８９】
図１の（ｂ）に示すように、可干渉光源として面発光レーザ１０から出射されたレーザビームは、ビーム分岐光学素子として使用される回折格子７により少なくとも２つの光ビームに分岐される。
【００９０】
図１の（ｂ）では、分岐直後の第１の光ビームの主軸を実線５で、分岐直後の第２の光ビームの主軸を実線５′で示している。
【００９１】
これらの第１および第２の光ビームは、各々、スケール２上の第１および第２のスケールパターン２１，２２に照射され、光ビームの主軸１５および１５′で示される線に沿って折り返され、第１の光検出器３および３′にて受光される（以下、この場合を反射型の構成と呼ぶ）か、あるいは、光ビームの主軸２５および２５′に沿ってスケール２を透過し、第２の光検出器３３および３３′にて受光される（以下、この場合を透過型の構成と呼ぶ）。
【００９２】
ここで、本実施の形態による反射型の構成では、第１のスケールパターン２１は、ｘ方向の周期がｐ１１で周期的に反射率の変化するパターンであり、また、第２のスケールパターン２２は均一な反射率パターンが形成されている。
【００９３】
また、透過型の構成では、第１のスケールパターン２１は、ｘ方向の周期がｐ１１で周期的に透過率が変化するパターンであり、また、第２のスケールパターン２２は均一な透過率パターンが形成されている。
【００９４】
そして、図１の（ｂ）に示すように、光検出器３はケース１１に接着されており、この光検出器３の表面には、面発光レーザ１０が取り付けられている。
【００９５】
この第１の実施の形態による光学式エンコーダとして適用される光学式変位センサの封止と回折格子の固定を兼ねた透明カバー６１がケース１１の上面に配置されている。
【００９６】
また、第１の光検出器３または３３は、図２の（ｂ）に示すように、周期がｐ２１である短冊状の受光エリアを有する受光エリア群を有している。
【００９７】
ここで、周期ｐ２１は、略ｎｐ１１（ｚ１１＋ｚ２１）／ｚ１１である。
【００９８】
但し、この実施形態では、ｎ＝１としている。
【００９９】
また、実線６は光ビームの広がりの境界線を示している。
【０１００】
次に、この発明の第１の実施の形態およその変形例の作用を説明する。
【０１０１】
第１の光ビームにより生成される干渉パターンは、第１の光検出器３または３３の受光面上にｘ方向に周期がｐ２１の回折干渉パターンを生成する。
【０１０２】
通常、この受光エリア群は、図２の（ｂ）に示すように、ｐ２１／４の間隔でずらして配置された４群が形成されており、この各々の受光エリア群より、いわゆる、エンコーダ信号としてＡ相、Ｂ相、Ａ相、Ｂ相の信号が出力される。
【０１０３】
すなわち、スケール２がｘ方向にｐ１１移動すると、Ａ相、Ｂ相、Ａ相、Ｂ相からは位相が１／４周期づつ異なる周期的な出力が得られる。
【０１０４】
一方、第２のスケールパターンは、均一な光学パターンが形成されているため、第２の光検出器３′または３３′の出力は、光ビームの出力に比例した出力となる。
【０１０５】
環境変化や経過時変化等により光ビームの出力が変動する場合には、第２の光検出器３′または３３′の出力を可干渉光源１，１０の駆動装置にフィードバックして出力変動を抑えたり、あるいは、第２の光検出器３′または３３′の出力を用いて、エンコーダ出力信号に補正を掛けたりすることにより、常に安定な変位センシングを実現することができる。
【０１０６】
尚、光源１、１０からスケール２に至る光ビームの主軸の光学的距離と、スケール２から第１の光検出器３または３３に至る光ビームの主軸１５、１５′（または２５、２５′）の光学的距離を最適に調整する（以下、これを光学的距離調整と呼ぶ）ために、回折格子７の厚さｔを設定することが望ましい。
【０１０７】
尚、この発明の第１の実施の形態の各構成は、当然、各種の変形、変更が可能である。
【０１０８】
可干渉光源としては、面発光レーザ１０の例を示したが、通常の端面出射型半導体レーザや、その他の可干渉光源を使用してもよい。
【０１０９】
光ビーム分岐光学素子は回折格子７の例を示したが、プリズムやハーフミラーなどの別の光学素子でもよい。
【０１１０】
前述の光学的距離調整は、回折格子の厚みで調整する場合に限らず、光軸上に屈折率の異なる光学媒体を挿入したり、あるいは、光源と光検出器の高さを調整する部品を取り付けてもよい。
【０１１１】
（第２の実施の形態）
図３は、本発明の第２の実施の形態による光学式エンコーダとして適用される光学式変位センサの構成を示している。
【０１１２】
本実施の形態におけるｙｚ面内の断面構造は図１の（ｂ）と同じであり、可干渉光源１から第１の光検出器３に至る光ビームの主軸の振る舞いは光線光学的には第１の実施の形態と同様である。
【０１１３】
また、第１のビームがスケール２を経て、第１の光検出器３に至り、この光検出器３からエンコーダ信号が得られる形態や作用も第１の実施の形態と同じである。
【０１１４】
従って、本実施の形態では、第２のスケールパターンが第１の実施の形態と異なることによる相違点についてのみ説明する。
【０１１５】
図３の（ａ）は、第１の実施の形態におけるスケール２を−ｚ方向に向かって見た平面図である。
【０１１６】
また、図３の（ｂ）は、図３の（ａ）におけるａ１−ａ１′断面に対するｘｚ面内の断面図である。
【０１１７】
また、図３の（ｃ）は、図３の（ａ）におけるａ２−ａ２′断面に対するｘｚ面内の断面図である。
【０１１８】
この発明の第２の実施の形態は、次のように構成されている。
【０１１９】
第２のスケールパターン２２のピッチｐ１２は第１のスケールパターン２１のピッチｐ１１とは異なるように形成されている。
【０１２０】
これに対応して、図３の（ｃ）に示すように、ａ２−ａ２′断面に対するｘｚ面内の断面構造は、受光エリアが短冊状に形成されており、このピッチが第２のスケールパターンのピッチに対応してｐ２２となり、さらに、受光エリア群のずれはｐ２２／４になる。
【０１２１】
ここで、受光エリア群のピッチｐ２２は、略ｐ１２（ｚ１２＋ｚ２２）／ｚ１２である。
【０１２２】
次に、この発明の第２の実施の形態の作用を説明する。
【０１２３】
第１の光ビームが第１の光検出器３の受光面上に回折干渉パターンを形成するのと同様な作用により、第２の光ビームは第２の光検出器３′の受光面上に回折干渉パターンを形成し、スケール２がｘ方向にｐ１２だけ移動するごとに、第２の光検出器３′から周期的な出力信号が得られる。
【０１２４】
従って、第１の光検出器３および第２の光検出器３′からの出力は、各々、スケール２のピッチ方向の変位量ｐ１１，ｐ１２の周期で強度が変化するため、バ−ニアエンコーダの原理に基づき、ｐ１１とｐ１２の最小公倍数のスケール移動範囲においては絶対位置検出機能を付加することができる。
【０１２５】
尚、この発明の第２の実施の形態の各構成は、当然、各種の変形、変更が可能である。
【０１２６】
例えば、光ビームの分岐数を２つ以上にして、その各々に対応した、スケールパターンおよび光検出器を形成してもよい。
【０１２７】
（第３の実施の形態）
図４は、本発明の第３の実施の形態による光学式エンコーダとして適用される光学式変位センサの構成を示している。
【０１２８】
本実施の形態におけるｙｚ面内の断面構造は図１の（ｂ）と同じであり、可干渉光源１から光検出器３に至る光ビームの主軸の振る舞いは光線光学的には第１の実施の形態と同様である。
【０１２９】
また、第１のビームがスケール２を経て、第１の光検出器３に至り、この光検出器３からエンコーダ信号が得られる形態や作用も第１の実施の形態と同じである。
【０１３０】
従って、本実施の形態では、第２のスケールパターン２２が第１の実施の形態と異なることによる相違点についてのみ説明する。
【０１３１】
図４の（ａ）は、第１の実施の形態におけるスケール２を−ｚ方向に向かって見た平面図である。
【０１３２】
また、図４の（ｂ）は、図４の（ａ）におけるａ１−ａ１′断面に対するｘｚ面内の断面図である。
【０１３３】
また、図４の（ｃ）は、図４の（ａ）におけるａ２−ａ２′断面に対するｘｚ面内の断面図である。
【０１３４】
この発明の第３の実施の形態は、次のように構成されている。
【０１３５】
第２のスケールパターン２２は、特定の基準位置の周期ｐｚを有する光学パターンで形成されている。
【０１３６】
これにに対応して、図４の（ｃ）に示すように、ａ２−ａ２′断面に対するｘｚ面内め断面構造は、第１の実施の形態と同様である。
【０１３７】
次に、この発明の第３の実施の形態の作用を説明する。
【０１３８】
第２の光ビームが第２のスケールパターン２２の反射率または透過率が変化するところに照射されると、第２の光検出器３′からの出力が変化するので、第２スケールパターン２２の反射率または透過率が変化するところをあらかじめ所望の位置に形成しておけば、基準位置検出機能を付加することができる。
【０１３９】
尚、この発明の第３の実施の形態の各構成は、当然、各種の変形、変更が可能である。
【０１４０】
第２のスケールパターン２２は単独のパターンを１個だけを形成してもよいし、また、用途に応じた基準位置間隔で形成してもよい。
【０１４１】
光ビームの分岐数を二つ以上にして、その各々に対応した、スケールパターンおよび光検出器を形成してもよい。
【０１４２】
（第４、第５、第６の実施の形態）
図５は、本発明の第４、第５、第６の実施の形態による光学式エンコーダとして適用される光学式変位センサの構成を示している。
【０１４３】
すなわち、スケール２を−ｚ方向に向かって見た平面図について、第４、第５，第６の実施の形態に対応する図が、各々、図５の（ａ），（ｂ），（ｃ）に示されている。
【０１４４】
尚、ｙｚ面内の断面構造は、第４、第５、第６の実施の形態で同じであり、図５の（ｄ）に示す。
【０１４５】
一方、ｘｚ面内の断面図については、第４、第５、第６の実施の形態に対応する図は、各々、図２の（ｂ）と（ｃ）、図３の（ｂ）と（ｃ）、図４の（ｂ）と（ｃ）で示したものと同様である。
【０１４６】
この発明の第４、第５、第６の実施の形態は、次のように構成されている。
【０１４７】
これら第４、第５、第６の実施の形態においては、第１のスケールパターン２１および第２のスケールパターン２２、さらには、第１の光検出器３または３３および第２の光検出器３′または３３′は、各々、第１、第２、第３の実施の形態と同様である。
【０１４８】
図５の（ｄ）において、可干渉光源として面発光レーザ１０から出射された光ビームは、第１のビーム分岐光学素子として使用される回折格子７により少なくとも二つのビームに分岐される。
【０１４９】
図５の（ｄ）では、分岐直後の第１の光ビームの主軸を実線５で、分岐直後の第２の光ビームの主軸を実線５′で示している。
【０１５０】
第１および第２の光ビームは、各々、スケール２上の第１および第２のスケールパターン２１、２２に照射され、光ビームの主軸１５および１５′で示される線に沿って折り返され、各々が、第１および第２の光ビーム屈曲素子として使用される回折格子７１，７２により光軸を曲げられ、第１の光検出器３および３′にて受光される（以下、この場合を反射型の構成と呼ぶ）か、あるいは、光ビームの主軸２５および２５′に沿ってスケール２を透過し、各々が、第１および第２の光ビーム屈曲素子として使用される回折格子７７により光軸を曲げられ、第２の光検出器３３および３３′にて受光される（以下、この場合を透過型の構成と呼ぶ）。
【０１５１】
次に、この発明の第４、第５、第６の実施の形態の作用を説明する。
【０１５２】
第４、第５、第６の実施の形態の作用は、第１および第２の光ビーム屈曲素子として使用される回折格子７７により光ビームが曲げられること以外は、各々、第１、第２、第３の実施の形態と同様である。
【０１５３】
ここで、第１のビーム分岐光学素子ならびに第１および第２の光ビーム屈曲素子として使用する回折格子７、７７のビッチｐｇをすべて同じにすると、光源１から出射した直後の光ビームの主軸と、光検出器３等に入射する光ビームの主軸が平行になる。
【０１５４】
この場合には、図５の（ｄ）において、第１および第２の光ビームがスケール２と交わる点からスケール面に垂直な線ｂ１−ｂ１′およびｂ２−ｂ２′に対して、光源１からスケール２に至る光ビームの主軸と、スケール２から光検出器３等に至る各々の光ビームの主軸が対称になるため、ｚ１１＝ｚ２１，ｚ２１＝ｚ２２となるような計算が容易になるという利点がある。
【０１５５】
このことは、ビーム分岐光学素子による光軸の曲げ角度をどのように設定してもｚ１１＝ｚ２１，ｚ２１＝ｚ２２となるような設計が簡単に実現可能であるため、第４、第５、第６の実施の形態では、センサの大きさ、スケールとセンサのギャップ、スケールのピッチなどを広範な自由度をもって設計することができるという利点がある。
【０１５６】
尚、この発明の第４、第５、第６の実施の形態の各構成は、当然、各種の変形、変更が可能である。
【０１５７】
図５の（ｄ）に示すように、光源の仮想的な点光源位置と受光面の高さが異なることが問題となる場合には、前述のように光学的距離調整のために、光学的距離調整手段５０を光ビームの光軸上に挿入してもよい。
【０１５８】
第１のビーム分岐光学素子ならびに第１および第２の光ビーム屈曲素子は、一体化して形成しても、別体で形成してもよい。
【０１５９】
（第７の実施の形態）
図６は、本発明の第７の実施の形態による光学式エンコーダとして適用される光学式変位センサの構成を示している。
【０１６０】
本第７の実施の形態においては、可干渉光源１０から第１の光検出器３に至る光ビームの主軸の振る舞いは光線光学的には第１の実施の形態と同様である。
【０１６１】
このため、第７の実施の形態と第１の実施の形態の相違点についてのみ、以下に説明する。
【０１６２】
図６の（ａ）は第７の実施の形態におけるスケール２を−ｚ方向に向かって見た平面図であり、図６の（ｂ）はｚｙ面内の断面図、図６の（ｃ）はｘｚ面内の断面図である。
【０１６３】
この発明の第７の実施の形態は次のように構成されている。
【０１６４】
図６の（ａ）に示すように、スケールパターン２１は、ｘ方向にピッチｐ０を有するように形成されている。
【０１６５】
これに対応して、図６の（ｃ）に示すように、ｃ１−ｃ１′断面に対するｘｚ面内の断面構造が形成されており、受光エリアが短冊状に形成されており、このピッチスケールパターンのピッチに対応してｐ１２となり、さらに、第１の光検出器３上に受光エリア群のずれがｐ１２／４になる。
【０１６６】
ここで、受光エリア群のピッチｐ１２は、略ｎｐ０（ｚ１１＋ｚ２１）／ｚ１１である。
【０１６７】
一方、図示されてないが、ｃ２−ｃ２′断面に対するｘｚ面内の断面構造は、第２の光検出器３′上に受光エリアが単一のエリアに形成されており、光源１０から出射した光ビームが光ビーム分岐手段により直接に第２の光検出器３′上の受光エリアに入射するように構成されている。
【０１６８】
次に、この発明の第７の実施の形態の作用を説明する。
【０１６９】
可干渉光源１０から出射した光ビームは、ビーム分岐手段である回折格子７により、前述した第４、第５、第６の実施形態と同様に光軸を曲げられた後、スケール２を経て、再度、回折格子、ビーム分岐手段を経た後で、第１の光検出器３に至る。
【０１７０】
そして、この第１の光検出器３からエンコーダ信号が得られる形態や作用は、前述した第４、第５、第６の実施の形態の作用と同じである。
【０１７１】
本実施形態では、さらに、可干渉光源１０から出射した光ビームは、ビーム分岐手段である回折格子７により反射、透過、または、回折され、スケールパターンを経ないで直接に第２の光検出器３′，３３′に入射して強度検出される。
【０１７２】
この第２の光検出器３′，３３′からの出力は、光ビームの出力に比例した出力となっている。
【０１７３】
環境変化や経過時変化等により光ビームの出力が変動する場合には、第２の光検出器３′，３３′の出力を可干渉光源１０の駆動装置にフィードバックして出力変動を抑えたり、あるいは、第２の光検出器３′，３３′の出力によりエンコーダ出力信号に補正を掛けて、常に安定な変位センシングが実現可能である。
【０１７４】
本実施形態では、スケール２の均一な反射率、透過率パターンを用いないで、光ビームの強度を検出できるため、光ビームの強度変動による検出誤差をおさえることができる。
【０１７５】
これにより、スケール２の欠陥や塵、汚れに依らず安定して実現することができるという利点がある。
【０１７６】
尚、この発明の第７の実施の形態の各構成は、当然、前述した第１乃至第６の実施の形態に準じての各種の変形、変更が可能である。
【０１７７】
（第８の実施の形態）
図７は、本発明の第８の実施の形態による光学式エンコーダとして適用される光学式変位センサの構成を斜視図として示している。
【０１７８】
この発明の第８の実施の形態は次のように構成されている。
【０１７９】
スケール２は２つのスケールパターン２１、２２を有し、第１のスケールパターン２１はｘ方向にピッチｐ１１を有するように形成されており、第２のスケールパターン２２は基準位置検出用に適切な幅の単一のパターンとして形成されている。
【０１８０】
光可干渉光源として使用する面発光レーザ１０は、図７に示すように、ｘ方向およびｙ方向に異なる座標の位置から２つの光ビームが出射するように形成されている。
【０１８１】
第１の光ビームは第１のスケールパターン２１に照射され、これによる回折干渉パターンが第１の光検出器３の受光面上に形成される。
【０１８２】
第２の光ビームは第２のスケールパターン２２に照射され、これによる反射光が第２の光検出器３′により検出されるように構成されている。
【０１８３】
面発光レーザ光源１０は、該面発光レーザ光源１０から出射される光ビームの主軸５を含み、前記スケール２面と前記第１のスケールパターン２１の空間周期方向に共に垂直な面内でのみ傾斜するように配置されている。
【０１８４】
次に、この発明の第８の実施の形態の作用を説明する。
【０１８５】
面発光レーザ１０のビーム出射窓１０１から出射した第１の光ビームは第１のスケールパターン２１を経て、その回折干渉パターンが第１の光検出器３の受光面上に形成され、この第１の光検出器３からエンコーダ信号が得られる形態の作用は、前述した第１乃至第７の実施の形態の作用と同じである。
【０１８６】
また、面発光レーザ１０のビーム出射窓１０２から出射した第２の光ビームが第２のスケールパターン２２を経て、その反射光が第２の検出器３′から得られる形態の作用は、第３および第６の実施の形態の作用と同じである。
【０１８７】
本実施形態では、可干渉光源を面発光レーザ１０とすることにより、自由な位置から光ビームを出射させることができる特徴を利用して、第１および第２の光ビームが、各々、第１のスケールパターン２１および第２のスケールパターン２２、さらには、これに対応した、第１の光検出器３および第２の光検出器３′に適切に照射されるように設計できるため、センサ設計の自由度が第１乃至第７の実施形態よりも広がるという利点がある。
【０１８８】
また、光ビーム分岐手段を適切な位置に組み立てることが不要となり、組立の低コスト化に有効である。
【０１８９】
さらには、光ビーム分岐手段による光量の損失をなくしてＳ／Ｎの良好な信号出力が得られるという利点もある。
【０１９０】
尚、この発明の第８の実施の形態の各構成は、当然、各種の変形、変更が可能である。
【０１９１】
図８に示すように、第２のスケールパターン２２および第２の光検出器３′の受光エリアを周期的に形成し、第２または第５の実施形態と同様にバ−ニア型のエンコーダにより変位の絶対値検出を実現することもできる。
【０１９２】
あるいは、光ビームやスケールパターン、光検出器の組を多数にすることにより、バ−ニア型以外のアブソリュートエンコーダを実現することもできる。
【０１９３】
尚、光源位置とスケール、または、スケールと光検出器の光学的距離を調整する必要がある場合には、前述のように光学的距離調整のために、光学的距離調整手段５０を光ビームの光軸上に挿入するようにしてもよい。
【０１９４】
また、本実施の形態では、複数の光ビームを出力できる光源として、面発光レーザを用いたが、可干渉性があるビームを複数出力できる光源であれば、光源の種類に限定されるものではない。
【０１９５】
そして、上述したような実施の形態で示した本明細書には、特許請求の範囲に示した請求項１乃至３以外にも、以下に付記１乃至付記９として示すような発明が含まれている。
【０１９６】
（付記１） 請求項１の光学式エンコーダにおいて、
前記ビーム分岐光学素子は、前記可干渉光源から出射した直後の光ビームの主軸を含み、かつ、前記第１のスケールパターンのピッチ方向に垂直な面内でのみ光ビームの主軸を複数の方向に分岐するように配置されていることを特徴とする光学式エンコーダ。
【０１９７】
（対応する発明の実施の形態）
この発明に関する実施の形態は、第１乃至第７の実施の形態が対応する。
【０１９８】
（作用効果）
本項では、請求項１と同様な作用・効果は省略して記述する。
【０１９９】
ビーム分岐光学素子は前記可干渉光源から出射した直後の光ビームの主軸を含み、かつ、前記第１のスケールパターンのピッチ方向に垂直な面内でのみ光ビームの主軸を複数の方向に分岐するように配置されているため、スケールと光源の空間ギャップが変動しても、図１０の（ａ）で説明した原理により、受光面上における回折干渉パターンがスケールピッチ方向に動かない。
【０２００】
従って、スケールと光源の空間ギャップの変動が生じても位置検出誤差が殆ど発生しない利点と、可干渉光源の光出力の強度モニタ機能、絶対位置検出機能、基準位置パターンによる検出機能等の付加を両立させることができる。
【０２０１】
（付記２） 請求項１の光学式エンコーダにおいて、
前記第２のスケールパターンは一様な反射率、透過率または回折効率を有することを特徴とする光学式エンコーダ。
【０２０２】
（対応する発明の実施の形態）
この発明に関する実施の形態は、第１の実施の形態が対応する。
【０２０３】
（作用効果）本項では、請求項１と同様な作用・効果は省略して記述する。
【０２０４】
ビーム分岐光学素子により分岐された第２の光ビームー様な反射率、透過率または回折効率を有する第２のスケールパターンに照射される。
【０２０５】
前記第２のスケールパターンにより反射、透過または回折された光ビームは第２の光検出器により強度検出されるため、可干渉光源の光出力の強度モニタ機能を実現することができる。
【０２０６】
従って、センサの周辺環境が変化しても、この第２の光検出器よりなる光強度検出手段の出力をレーザ光源の駆動手段にフィードバックすることにより、光出力の安定化をはかることができるため、このような状態変化に対して安定したセンシングを実現することができる。
【０２０７】
（付記３） 請求項１の光学式エンコーダにおいて、
前記第２のスケールパターンは第１のスケールパターンと異なる所定周期ｐ１２を有し、前記可干渉光源の光ビーム出射面から前記第２のスケールパターンが形成された面に至る第２の光ビームの主軸に沿って測った光学的距離をｚ１２、前記第２の光ビームの主軸上に沿って測った前記第２のスケールパターンが形成された面から前記第２の光検出器の受光面に至る光学的距離をｚ２２としたとき、前記第２の光検出器は前記回折干渉パターンの空間周期方向に略ｎｐ１２（ｚ１２＋ｚ２２）／ｚ１２の間隔で形成された複数の受光エリアを有して前記回折干渉パターンの所定部分を受光するように構成された光学式エンコーダ。
【０２０８】
（対応する発明の実施の形態）
この発明に関する実施の形態は、第２の実施の形態が対応する。
【０２０９】
尚、スケールパターンのトラック数を増やして、対応する光ビームの分岐数、光検出器の数を増やす構成も含まれる。
【０２１０】
（作用効果）
本項では、請求項１と同様な作用・効果は省略して記述する。
【０２１１】
ビーム分岐光学素子により分岐された第２の光ビームは第１のスケールパターンと異なる所定周期ｐ１２の第２のスケールパターンに照射され、空間周期ｐ２＝ｐ１２（ｚ１１＋ｚ２１）／ｚ１１をもった回折干渉パターンを第２の光検出器上の受光面に生成する。
【０２１２】
このため、第２の光検出器にはＸ方向に空間周期ｐ２２＝ｎｐ２の受光ニリア群が形成されているので、第２の光検出器からは、スケールがスケールパターンのピッチ方向（ｘ方向）にｐ１２だけ移動するごとに周期的な信号強度が出力される。
【０２１３】
従って、第１および第２の光検出器からの出力は、各々、スケールのピッチ方向の変位量ｐ１１，ｐ１２の周期で強度が変化するため、バ−ニアエンコーダの原理に基づき、ｐ１１とｐ１２の最小公倍数のスケール移動範囲においては絶対位置検出機能を付加することができる。
【０２１４】
（付記４） 請求項１の光学式エンコーダにおいて、
前記第２のスケールパターンは所定の基準位置に形成された単独または複数のスケールパターンであることを特徴とする光学式エンコーダ。
【０２１５】
（対応する発明の実施の形態）
この発明に関する実施の形態は、第３の実施の形態が対応する。
【０２１６】
（作用効果）
本項では、請求項１と同様な作用・効果は省略して記述する。
【０２１７】
ビーム分岐光学素子７により分岐された第２の光ビームは、所定の基準位置に形成された単独または複数のスケールパターンを形成した第２のスケールパターンに照射される。
【０２１８】
前記第２のスケールパターンにより反射または透過された光ビームは第２の光検出器により強度検出される。
【０２１９】
第２の光検出器の出力は、第２の光ビームが第２のスケールパターンの基準位置に照射されたときだけ出力が変化するので、スケールのピッチ方向の移動に対して基準位置を検出する機能を付加することができる。
【０２２０】
（付記５） 請求項２の光学式エンコーダにおいて、
前記第１のビーム分岐光学素子ならびに第１および第２の光ビーム屈曲素子は前記可干渉光源から出射した直後の光ビームの主軸を含み、かつ、前記第１のスケールパターンのピッチ方向に垂直な面内でのみ光ビームの主軸を屈曲させるように配置されていることを特徴とする光学式エンコーダ。
【０２２１】
（対応する発明の実施の形態）
この発明に関する実施の形態は、第４乃至第６の実施の形態が対応する。
【０２２２】
（作用効果）
本項では、請求項２と同様な作用・効果は省略して記述する。
【０２２３】
第１のビーム分岐光学素子ならびに第１および第２の光ビーム屈曲素子は前記可干渉光源から出射した直後の光ビームの主軸を含み、かつ、前記第１のスケールパターンのピッチ方向に垂直な面内でのみ光ビームの主軸を複数の方向に屈曲するように配置されているため、スケールと光源の空間ギャップが変動しても、図１０（ａ）で説明した原理により、受光面上における回折干渉パターンがスケールピッチ方向に動かない。
【０２２４】
従って、スケールと光源の空間ギャップの変動が生じても位置検出誤差が殆ど発生しないという利点と、可干渉光源の光出力の強度モニタ機能、絶対位置検出機能、基準位置パターンによる検出機能等の付加を両立させることができる。
【０２２５】
（付記６） 請求項２の光学式エンコーダにおいて、
前記第２のスケールパターンは一様な反射率、透過率または回折効率を有することを特徴とする光学式エンコーダ。
【０２２６】
（対応する発明の実施の形態）
この発明に関する実施の形態は、第４の実施の形態が対応する。
【０２２７】
（作用効果）
本項では、請求項２と同様な作用・効果は省略して記述する。
【０２２８】
ビーム分岐光学素子７により分岐された第２の光ビームは、一様な反射率、透過率または回折効率を有する第２のスケールパターンに照射された後、第１の光ビーム屈曲素子に照射され、ここで、再度光軸を曲げられ、第２の光検出器に導かれる。
【０２２９】
前記第２のスケールパターンにより反射または透過され、さらに、第２の光ビーム屈曲素子で屈曲された光ビームは第２の光検出器により強度検出されるため、可干渉光源の光出力の強度モニタ機能を実現することができる。
【０２３０】
従って、センサの周辺環境が変化しても、この第２の光検出器よりなる光強度検出手段の出力をレーザ光源の駆動手段にフィードバックすることにより、光出力の安定化をはかることができるため、このような状態変化に対して安定したセンシングを実現することができる。
【０２３１】
（付記７） 請求項２の光学式エンコーダにおいて、
前記第２のスケールパターンは前記第１のスケールパターンと異なる所定周期ｐ１２を有し、前記可干渉光源の光ビーム出射面から前記第２のスケールパターンが形成された面に至る第２の光ビームの主軸に沿って測った光学的距離をｚ１２、前記第２の光ビームの主軸上に沿って測った前記第２のスケールパターンが形成された面から前記第２の光検出器の受光面に至る光学的距離をｚ２２としたとき、前記第２の光検出器は前記第２のスケールパターンより生成された回折干渉パターンを第１のビーム分岐光学素子と同体または別体の光ビーム屈曲素子を介して受光する光検出器であり、かつ、前記回折干渉パターンの空間周期方向に略ｎｐ１２（ｚ１２＋ｚ２２）／ｚ１２の間隔で形成された複数の受光エリアを有して前記回折干渉パターンの所定の部分を受光するように構成されたことを特徴とする光学式エンコーダ。
【０２３２】
（対応する発明の実施の形態）
この発明に関する実施の形態は、第５の実施の形態が対応する。
【０２３３】
尚、スケールパターンのトラック数に対応して、光ビームの分岐数、光検出器の数を増やす構成も含まれる。
【０２３４】
（作用効果）
本項では、請求項２と同様な作用・効果は省略して記述する。
【０２３５】
ビーム分岐光学素子７により分岐された第２の光ビームは第１のスケールパターンと異なる所定周期ｐ１２を有する第２のスケールパターンに照射され、第２の光ビーム屈曲素子で屈曲され、空間周期ｐ２＝ｐ１２（ｚ１１＋ｚ２１）／ｚ１１をもつた回折干渉パターンを第２の光検出器上の受光面に生成する。
【０２３６】
このため、第２の光検出器からは、スケールがスケールパターンのピッチ方向にｐ１２だけ移動するごとに周期的な信号強度が出力される。
【０２３７】
従って、第１および第２の光検出器からの出力は、各々、スケールのピッチ方向の変位量ｐ１１，ｐ１２の周期で強度が変化するため、バ−ニアエンコーダの原理に基づき、ｐ１１とｐ１２の最小公倍数のスケール移動範囲においては絶対位置検出機能を付加することができる。
【０２３８】
（付記８） 請求項２の光学式エンコーダにおいて、
前記第２のスケールパターンは所定の基準位置に形成された単独または複数のスケールパターンであることを特徴とする光学式エンコーダ。
【０２３９】
（対応する発明の実施の形態）
この発明に関する実施の形態は、第６の実施の形態が対応する。
【０２４０】
（作用効果）
本項では、請求項２と同様な作用・効果は省略して記述する。
【０２４１】
ビーム分岐光学素子７により分岐された第２の光ビーム所定の基準位置に形成された単独または複数のスケールパターンを形成した第２のスケールパターンに照射される。
【０２４２】
前記第２のスケールパターンにより反射または透過された光ビームは、第２の光ビーム屈曲素子により光軸を曲げられた後、第２の光検出器により強度検出される。
【０２４３】
第２の光検出器の出力は、第２の光ビームが第２のスケールパターンの基準位置に照射されたときだけ出力が変化するので、スケールのピッチ方向の移動に対して基準位置を検出する機能を付加することができる。
【０２４４】
（付記９） 複数の光ビームを出射可能な可干渉光源と、
前記可干渉光源から出射する光ビームを横切るように変位し、かつ、
前記可干渉光源から出射する第１の光ビームにより回折干渉パターンを生成する所定周期の第１のスケールパターンを形成したスケールと、
前記回折干渉パターンを受光する第１の光検出器とを有し、
前記可干渉光源の光ビーム出射面から前記第１のスケールパターンが形成された面に至る第１の光ビームの主軸に沿って測った光学的距離をｚ１１、前記第１の光ビームの主軸上に沿って測った前記第１のスケールパターンが形成された面から前記第１の光検出器の受光面に至る光学的距離をｚ２１、前記第１のスケールパターンの空間周期をｐ１１、ｎを自然数としたとき、
前記第１の光検出器は前記回折干渉パターンの空間周期方向に略ｎｐ１１（ｚ１１＋ｚ２１）／ｚ１１の間隔で形成された複数の受光エリアを有して前記回折干渉パターンの所定部分を受光するように構成された光学式エンコーダにおいて、 前記可干渉光源と前記光検出器は前記スケールから略等しい光学的距離、かつ、同じ側に配置されるとともに、前記可干渉光源から出射される光ビームの主軸は、前記可干渉光源から出射される光ビームの主軸を含み、前記第１のスケールパターンの空間周期方向に垂直な面内でのみ、前記スケール面に対して傾斜するように配置され、前記複数の光ビームのうち第２の光ビームは前記スケールと一体で形成された前記第２のスケールパターンに照射され、前記第の光ビームが前記第２のスケールパターンにより反射または回折、透過された光ビームを受光する第２の光検出器を有することを特徴とする光学式エンコーダ。
【０２４５】
（対応する発明の実施の形態）
この発明に関する実施の形態は、第８および９の実施の形態が対応する。
【０２４６】
（作用効果）
可干渉光源から出射した第１の光ビームは、各々、第１おのスケールパターンに照射され、空間周期ｐ２＝ｐ１１（ｚ１１＋ｚ２１）／ｚ１１をもった回折干渉パターンを第１の光検出器上の受光面に生成する。
【０２４７】
請求項１の場合と同様にして、スケールが回折格子のピッチ方向にｐ１１だけ変位すると、受光面上では、同じ方向にｘ２＝ｐ１１（ｚ１１＋ｚ２１）／ｚ１１だけ変位するため、スケールが回折格子のピッチ方向にｐ１１だけ変位する度に、第１の光検出器から周期的な強度で変化する出力信号が得られる。
【０２４８】
一方、第２の光ビームは第２のスケールパターンに照射され、前記第２のスケールパターンにより反射または回折、透過された光ビームを受光する第２の光検出器により強度検出される。
【０２４９】
第１と第２のスケールパターンを適切に設定することにより、付記２乃至４の場合と同様に、一定な反射または透過率スケールからの反射または透過光の強度検出による可干渉光源の光出力の強度モニタ機能、バ−ニアエンコーダパターンによる絶対位置検出機能、基準位置パターンによる原点検出機能等を実現することができる。
【０２５０】
さらに、これらの付加機能は、スケールパターン数に応じて、ビームの分岐数、光検出器の数を増やせば、二つ以上の機能を同時に実現することもできる。
【０２５１】
また、可干渉光源、スケール面、受光面をすべて平行に配置することはできないが、ビーム分岐光学素子とその組立が不要となるという利点がある。
【０２５２】
【発明の効果】
従って、以上説明したように、本発明によれば、基準点検出機能や、絶対位置検出機能を有し、スケールとヘッドのギャップ変動の影響を殆ど受けないで、スケールのｘ方向の変位を正確に検出することができるとともに、傾斜基板を使わない実装形態により、組立コストを低減し、周囲環境が変化してもエンコーダ信号出力を安定化することができる構成と手段とを備えた光学式変位センサとして適用可能な光学式エンコーダを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態による光学式エンコーダとして適用される光学式変位センサの構成を示している。
【図２】図２は、本発明の第１の実施の形態による光学式エンコーダとして適用される光学式変位センサにおいて、スケール（ａ）と、そのａ−ａ′断面（ｂ）と、ｂ−ｂ′断面（ｃ）との構成を示している。
【図３】図３は、本発明の第２の実施の形態による光学式エンコーダとして適用される光学式変位センサの構成を示している。
【図４】図４は、本発明の第３の実施の形態による光学式エンコーダとして適用される光学式変位センサの構成を示している。
【図５】図５は、本発明の第４、第５、第６の実施の形態による光学式エンコーダとして適用される光学式変位センサの構成を示している。
【図６】図６は、本発明の第７の実施の形態による光学式エンコーダとして適用される光学式変位センサの構成を示している。
【図７】図７は、本発明の第８の実施の形態による光学式エンコーダとして適用される光学式変位センサの構成を示している。
【図８】図８は、本発明の第８の実施の形態による光学式エンコーダの変形例として適用される光学式変位センサの構成を示している。
【図９】図９は、第１の従来例による光学式エンコーダの構成図を示している。
【図１０】図１０は、第２の従来例による光学式エンコーダの構成図を示している。
【図１１】図１１は、図９および図１０に示した従来例の構成を、マルチビーム＆トラック構成に拡張する場合のもっとも単純に考えられる形態を示している。
【符号の説明】
１…可干渉光源、
２…スケール、
３、３３…第１の光検出器、
３′、３３′…第２の光検出器、
５…第１の光ビームの主軸、
５′…第２の光ビームの主軸、
１５、１５′…光ビームの主軸、
１０…面発光レーザ、
７…ビーム分岐光学素子として使用される回折格子、
７１、７２…光ビーム屈曲素子として使用される回折格子、
１１…ケース、
２１…第１のスケールパターン、
２２…第２のスケールパターン、
２５、２５′…光ビームの主軸、
５０…光学的距離調整手段、
６１…透明カバー、
１０１、１０２…ビーム出射窓。

Claims (11)

1. 可干渉光源と、
   前記可干渉光源からの光ビームを反射または回折、透過する第１のスケールパターンおよび第２のスケールパターンとが形成されて可動可能に支持されたスケールと、
   前記可干渉光源と前記スケールとの間に設けられ、前記可干渉光源から出射された光ビームを複数のビームに分岐するビーム分岐光学素子と、
   前記ビーム分岐光学素子によって分岐された光ビームを検出する第１および第２の光検出器とを有し、
   前記第１の光検出器は、前記ビーム分岐光学素子により分岐された第１の光ビームが前記第１のスケールパターンで反射または回折、透過することにより受光面上に形成された回折干渉パターンの空間周期方向に、
   前記可干渉光源の光ビーム出射面から前記第１のスケールパターンが形成された面までの第１の光ビームの主軸に沿った光学的距離をｚ１１、前記第１のスケールパターンが形成された面から前記第１の光検出器までの第１の光ビームの主軸に沿った光学的距離をｚ２１、前記第１のスケールパターンの空間周期をｐ１１、ｎを自然数としたときに、
   略ｎｐ１１（ｚ１１＋ｚ２１）／ｚ１１となる間隔ｐ２１で形成された各々が複数の受光エリアからなる複数の受光エリア群を有し、
   更に、前記可干渉光源と光検出器を同じ側に、ｚ１１＝ｚ２１となるように配置するとともに、
   前記ビーム分岐光学素子により分岐された複数の光ビームのうち第２の光ビームは前記第２のスケールパターンにより反射または回折、透過し前記第２の光検出器によって受光されることを特徴とする光学式エンコーダ。
2. 前記第１のスケールと前記第１の光検出器との間に設けられた第１の光ビーム屈曲素子と、
   前記第２のスケールと前記第２の光検出器との間に設けられた第２の光ビーム屈曲素子とを有し、
   前記第１および第２の光ビーム屈曲素子は、前記第１および第２の光ビーム屈曲素子を通過後の前記第１および第２のスケールパターンで反射または回折、透過した前記第１および第２の光ビームの主軸と、前記可干渉光源から出射した直後の光ビームの主軸とが平行になるとともに、前記第１および第２のスケールパターンを透過または反射、回折した前記第１および第２の光ビームが、前記第１および第２の光ビーム屈曲素子を通過後に、各々、前記第１および第２の光検出器により受光されるように配置され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. 前記ビーム分岐光学素子と前記光ビーム屈曲素子は同一ピッチかつ同一方向の回折格子により構成されることを特徴とする請求項２に記載の光学式エンコーダ。
4. 前記ビーム分岐光学素子と前記光ビーム屈曲素子は同一基板上に形成された回折格子により構成され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. 前記複数の受光エリア群は、互いにｐ２１／４だけずらして配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光学式エンコーダ。
6. 前記ビーム分岐光学素子は、前記可干渉光源から出射した直後の光ビームの主軸を含み、かつ、前記第１のスケールパターンのピッチ方向に垂直な面内でのみ光ビームの主軸を複数の方向に分岐するように配置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。
7. 前記第２のスケールパターンは第１のスケールパターンと異なる所定周期ｐ１２を有し、前記可干渉光源の光ビーム出射面から前記第２のスケールパターンが形成された面に至る第２の光ビームの主軸に沿って測った光学的距離をｚ１２、前記第２の光ビームの主軸上に沿って測った前記第２のスケールパターンが形成された面から前記第２の光検出器の受光面に至る光学的距離をｚ２２としたとき、前記第２の光検出器は前記回折干渉パターンの空間周期方向に略ｎｐ１２（ｚ１２＋ｚ２２）／ｚ１２の間隔ｐ２２で形成された各々が複数の受光エリアからなる複数の受光エリア群を有して前記回折干渉パターンの所定部分を受光するように構成された請求項１に記載の光学式エンコーダ。
8. 前記第２のスケールパターンは所定の基準位置に形成された単独または複数のスケールパターンであ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。
9. 前記第２のスケールパターンは所定の基準位置に形成された単独または複数のスケールパターンであることを特徴とする請求項２に記載の光学式エンコーダ。
10. 複数の光ビームを出射可能な可干渉光源と、
    前記可干渉光源から出射する光ビームを横切るように変位し、かつ、前記可干渉光源から出射する第１の光ビームにより回折干渉パターンを生成する所定周期の第１のスケールパターンを形成したスケールと、
    前記回折干渉パターンを受光する第１の光検出器とを有し、
    前記可干渉光源の光ビーム出射面から前記第１のスケールパターンが形成された面に至る第１の光ビームの主軸に沿って測った光学的距離をｚ１１、前記第１の光ビームの主軸上に沿って測った前記第１のスケールパターンが形成された面から前記第１の光検出器の受光面に至る光学的距離をｚ２１、前記第１のスケールパターンの空間周期をｐ１１、ｎを自然数としたとき、
    前記第１の光検出器は前記回折干渉パターンの空間周期方向に略ｎｐ１１（ｚ１１＋ｚ２１）／ｚ１１の間隔ｐ２１で形成された各々が複数の受光エリアからなる複数の受光エリア群を有して前記回折干渉パターンの所定部分を受光するように構成された光学式エンコーダにおいて、
    前記可干渉光源と前記光検出器は前記スケールから略等しい光学的距離、かつ、同じ側に配置されるとともに、前記可干渉光源から出射される光ビームの主軸は、前記スケール面に対して傾斜するように配置され、前記複数の光ビームのうち第２の光ビームは前記スケールと一体で形成された前記第２のスケールパターンに照射され、前記第の光ビームが前記第２のスケールパターンにより反射または回折、透過された光ビームを受光する第２の光検出器を有することを特徴とする光学式エンコーダ。
11. 前記複数の受光エリア群は、互いにｐ２１／４だけずらして配置されていることを特徴とする請求項１０に記載の光学式エンコーダ。

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