JP4827857B2 - エンコーダ - Google Patents

Description

本発明はエンコーダに係り、更に詳しくは、分岐光学系に対する計測用スケールの位置情報を光学的に検出するエンコーダに関する。

従来より、位相回折格子のような周期的な構造を有する光学的スケールに、検出ヘッドから光ビームを照射し、受光素子にて光を受光することにより、検出ヘッドと光学的スケールとの相対的な位置関係及び両者の相対的な運動方向を測定する方法は、一般的に使用されている。

最近において、最も一般的に用いられている方法は、光学的スケールを介した光ビームから互いに９０°位相が異なる周期的な信号を検出し、２つの信号の振幅と位相との関係から、検出ヘッドと光学的スケールとの相対位置関係及び両者の相対的な運動方向を測定するものである。また、この方法における、ノイズの影響による検出信号のＳ／Ｎ比の低下に起因する検出分解能の低下を解消するために、特許文献１に記載の方法を用いることができる。この特許文献１に記載の方法によると、検出信号は、光ビームの振動によって変調されており、検出ヘッドと光学的スケールとの相対位置関係及び両者の相対的な運動方向を測定する際には、その信号を復調する。この復調処理により、Ｓ／Ｎ比を向上させることができ、その結果、検出分解能を向上することが可能となっている。

しかるに、特許文献１に記載の方法では、光ビームを振動させるために、光路に振動可能な光学素子を配置し、該光学素子を振動させている。この場合、光ビームの振動中心にドリフトが発生すると、検出結果に誤差が含まれることとなり、高精度な位置検出が妨げられるおそれがある。

また、従来の一般的な光学式エンコーダとして、移動体とともに移動し、かつ移動方向に直交させて等間隔に形成した格子を有する回折格子と、この回折格子に可干渉光束を照射する照射光学系と、回折格子で回折された回折光を干渉させて干渉光の強度変化を検出する検出器とを備え、この干渉光の強度変化に基づいて、回折格子の移動量を検出する回折干渉式のエンコーダが知られている（例えば、特許文献２等参照）。

このようなエンコーダでは、光源から発せられる熱などで、その光源や回折格子を保持する部材が伸縮するなどして、光源と回折格子との間の相対位置関係が経時的に変化する場合がある。この位置ずれは、回折格子の移動量の検出誤差となる。

米国特許第６，６３９，６８６号明細書 特開２００５−３４３８号公報

本発明は、所定方向に沿って配列されたパターンが形成された計測用スケールと；入射した照明光を、前記計測用スケールに照射する第１の光と、前記計測用スケール上における前記第１の光の照射位置に関する情報を含む第２の光とに少なくとも分岐する分岐光学系と；前記第２の光を受光する第２の光用の受光器と；前記第２の光用の受光器の受光結果に基づいて、前記計測用スケール上における前記第１の光の照射位置に関する情報を検出する検出装置と；を備えるエンコーダである。

これによれば、入射した照明光を、計測用スケールに照射する第１の光と、その計測用スケール上における第１の光の照射位置に関する情報を含む第２の光とに少なくとも分岐する分岐光学系を配置し、第２の光によって第１の光の照射位置に関する情報を検出している。第１の光と第２の光とは同じ照明光から発せられた光であるため、第２の光を用いれば、第１の光の照射位置に関する情報を正確に検出することができる。

第１の実施形態に係るエンコーダを示す斜視図である。 第１の実施形態の変位例（その１）を示す図である。 第１の実施形態の変形例（その２）を示す図である。 第１の実施形態の変位例（その３）を示す図である。 第２の実施形態に係るエンコーダを示す概略図である。 第２の実施形態の変形例を示す図である。 第３の実施形態に係るエンコーダの光学系の概略構成を示す図である。 第３の実施形態に係るエンコーダの信号処理系の概略構成を示す図である。 第４の実施形態に係るエンコーダの光学系の概略構成を示す図である。

《第１の実施形態》
以下、本発明の第１の実施形態について、図１に基づいて説明する。図１には本発明の第１の実施形態に係るエンコーダ１０の構成が概略的に示されている。このエンコーダ１０は、いわゆる回折干渉方式のエンコーダであり、所定方向に移動する移動体（例えばステージなど）の移動方向、あるいは移動量、あるいは変位を検出するリニアエンコーダである。

このエンコーダ１０は、図１に示されるように、光源１２と、振動ミラー１４と、コリメータレンズ１８と、第１の回折光学素子（第１のインデックススケール）２０と、第２の回折光学素子（第２のインデックススケール）２２と、ビームスプリッタＢＳと、移動スケール（移動回折格子）２４と、第１の受光素子２６と、参照スケール（固定回折格子）２８と、第２の受光素子３０とを含んでいる。

前記光源１２は、例えばコヒーレントな光、例えば波長λ（＝８５０ｎｍ）のレーザ光を図１における＋Ｘ方向に向けて射出する光源である。

前記振動ミラー１４は、光源１２からのレーザ光を第１の回折光学素子２０に向けて反射する。この振動ミラー１４は、アクチュエータを含む駆動機構１６によりＹ軸回りの回転方向に周期的に振動される。したがって、厳密には、振動ミラー１４に入射した光の反射方向は、その反射面の向きによって異なることとなり、コリメータレンズ１８に入射する照明光の角度が周期的に変調されるようになっている。

前記コリメータレンズ１８は、振動ミラー１４で反射されたレーザ光を平行光に変換する。

前記第１のインデックススケール２０は、Ｘ軸方向を周期方向とする回折格子が形成されたプレートから成る透過型の位相格子であり、コリメータレンズ１８を透過した平行光が入射する。この第１のインデックススケール２０では、入射した平行光に基づいて、複数の回折光を発生させる。図１では、それらの回折光のうち、第１のインデックススケール２０で発生した±１次回折光（図１において、＋Ｘ側に出射している回折光が＋１次回折光、−Ｘ側に出射している回折光が−１次回折光である）が示されている。

前記第２のインデックススケール２２は、第１のインデックススケール２０と同様、Ｘ軸方向を周期方向とする回折格子が形成されたプレートから成る透過型の位相格子であり、第１のインデックススケール２０と、移動スケール２４との間に配置されている。この第２のインデックススケール２２は、第１のインデックススケール２０で発生した−１次回折光を回折して＋１次回折光を生成し、この＋１次回折光は移動スケール２４に向かう。また、第２のインデックススケール２２は、第１のインデックススケール２０で発生した＋１次回折光を回折して−１次回折光を生成し、この−１次回折光は移動スケール２４に向かう。

ここで、第２のインデックススケール２２で生成された±１次回折光は、ビームスプリッタＢＳを透過して、移動スケール２４上の同一位置で互いに重なり合う。すなわち、±１次回折光が移動スケール２４上で干渉する。

前記移動スケール２４は、第１、第２のインデックススケール２０，２２と同様、Ｘ軸方向を周期方向とする回折格子（第１パターン）が形成されたプレートから成る透過型の位相格子である。この移動スケール２４では、第２のインデックススケール２２で生成された＋１次回折光を回折して−１次回折光を生成し、第２のインデックススケール２２で生成された−１次回折光を回折して＋１次回折光を生成する。そして、これら±１次回折光は、互いに干渉した状態で、第１の受光素子２６に入射する。この結果、第１の受光素子２６は、干渉光の干渉強度を示す電気信号を出力するようになる。

なお、本実施形態では、第１のインデックススケール２０と移動スケール２４の格子ピッチが同一であり、第２のインデックススケール２２の格子ピッチが、前記第１のインデックススケール２０及び移動スケール２４の格子ピッチの１／２であるものとする。

ところで、第２のインデックススケール２２で回折された±１次回折光のうち、ビームスプリッタＢＳで反射された光は、第２のインデックススケール２２と移動スケール２４との間に設けられた参照スケール２８に入射する。この参照スケール２８は、Ｙ軸方向を周期方向とする回折格子（第２パターン）が形成されたプレートから成る透過型の位相格子であり、第１のインデックススケール２０との位置関係及び第２のインデックススケール２２との位置関係が固定とされている（維持されている）。ここで、本第１の実施形態では、参照スケール２８が有する回折格子の格子ピッチは、前述した移動スケール２４が有する回折格子の格子ピッチと同一ピッチに設定されている。

この参照スケール２８においても、移動スケール２４の場合と同様に、第２のインデックススケール２２から発せられた−１次回折光を回折する（図１では、参照スケール２８で回折した＋１次回折光が−Ｘ方向に進行する）。また、参照スケール２８では、第２のインデックススケール２２から発せられた＋１次回折光を回折する（図１では、参照スケール２８で回折した−１次回折光が−Ｘ方向に進行する）。

そして、これら−Ｘ方向に進行するそれぞれの＋１次回折光及び−１次回折光は、互いに干渉した状態で第２の受光素子３０に入射する。この結果、第２の受光素子３０は、干渉光の干渉強度を示す電気信号を出力するようになる。

本第１の実施形態では、参照スケール２８と第１のインデックススケール２０との間の位置関係及び参照スケール２８と第２のインデックススケール２２との位置関係が固定とされている（維持されている）ことから、第２の受光素子３０における出力は、ビームの振動に関する情報のみを示すものであり、該出力から、ビームの振動中心に関する情報を取得することができる。

ところで、本第１の実施形態では、エンコーダ１０が設置される雰囲気の温度や湿度の変化に応じて、ビームの振動中心がドリフトする可能性がある。このため、第１の受光素子２６では、移動スケール２４の移動情報にビームの振動中心のドリフトが含まれた情報が取得される可能性がある。

したがって、本実施形態では、不図示の制御装置が、第１の受光素子２６による出力（これを「出力１」と呼ぶ）と、第２の受光素子３０による出力（これを「出力２」と呼ぶ）とを用いて、移動スケール２４の位置情報を次式（１）のようにして算出する。

（移動スケールの位置情報）＝（出力１）−ｋ×（出力２） …（１）

ここで、係数ｋとしては、実際にエンコーダ１０を用いた計測を行う以前に、移動スケール２４を固定した状態で、ビームを振動させた際の、第１の受光素子２６の出力と第２の受光素子３０の出力の差異から算出される換算係数である。

なお、実際には、第１の受光素子２６による出力１、及び第２の受光素子３０による出力２は、振動ミラー１４により変調された信号であるため、出力１、２をそれぞれ、時間に関するベッセル級数展開を用いて位置情報に変換した後、上式（１）で移動スケールの位置情報にする。

これにより、エンコーダ１０が設置される雰囲気の温度や湿度の変化等によるビームの振動中心のドリフトの影響を受けることなく、移動スケール２４の位置情報を高精度に計測することができる。

以上説明したように、本第１の実施形態のエンコーダによると、第１、第２のインデックススケール２０，２２を経由した光をビームスプリッタＢＳにより分岐し、その一方の光を移動スケール２４を介して第１の受光素子２６で受光するとともに、他方の光を参照スケール２８を介して第２の受光素子３０で受光するが、参照スケール２８は、ビームスプリッタＢＳに対して位置関係が固定されているので、第２の受光素子３０では、レーザ光の振動に関する情報のみを検出することができる。したがって、第１の受光素子２６の出力１（この場合の出力には、移動スケール２６の真の移動情報とレーザ光の振動に関する情報が含まれている）と、第２の受光素子３０の出力２を用いて、移動スケール２６の位置情報を算出することにより、レーザ光の変調中心（振動中心）のドリフトの影響を受けることなく、移動スケール２４の移動情報を精度良く計測することが可能となる。

なお、上記第１の実施形態では、第１のインデックススケール２０及び第２のインデックススケール２２を用いる場合について説明したが、本発明がこれに限られるものではなく、レーザ光を２つの光に分岐する分岐素子と、その２つの光のそれぞれを移動スケール２４上で互いに干渉させる光学部材とを含む構成であれば良い。

例えば、図２に示されるように、分岐素子として、第１の実施形態と同様のインデックススケール２０を設け、光学部材として、第２のインデックススケールに代えて、一対のミラー２２２Ａ，２２２Ｂを設けることとしても良い。

また、分岐素子としては、インデックススケールを用いる場合に限らず、例えばビームスプリッタを用いることも可能である。

また、上記第１の実施形態では、ビームスプリッタＢＳを用いて、第２のインデックススケール２２を介した光を分岐することとし、この分岐した光を参照スケール２８を介して第２の受光素子３０で受光することとしたが、これに限らず、図３に示されるような構成を採用することも可能である。この図３に示される構成では、第１のインデックススケール２０は、入射した光に基づいて、０次光と、＋１次回折光と、−１次回折光とを発生する。第１のインデックススケール２０で発生した−１次回折光が第２のインデックススケール２２に入射すると、第２のインデックススケール２２は＋１次回折光及び０次光を生成する。この＋１次回折光は移動スケール２４に照射され、０次光は参照スケール２８に照射される。

また、第１のインデックススケール２０で発生した＋１次回折光が第２のインデックススケール２２に入射すると、第２のインデックススケール２２は−１次回折光を生成し、この−１次回折光は、移動スケール２４に照射され、＋１次回折光と重なり合い、移動スケール２４上で干渉する。

更に、第１のインデックススケール２０を通過した０次光は、第２のインデックススケール２２に入射すると、−１次回折光を生成し、この−１次回折光は、参照スケール２８に照射され、０次光と重なり合い、参照スケール２８上で干渉する。

そして、第２の受光素子３０は参照スケール２８を通過した干渉光の強度を検出し、第１の受光素子２６は移動スケール２４を通過した干渉光の強度を検出する。

また、上記第１の実施形態では、第１のインデックススケール２０及び第２のインデックススケール２２を経由した光を用いて計測を行うこととしたが、これに限らず、例えば図４に示されるような構成を採用しても良い。すなわち、移動スケール２４及び参照スケール２８のそれぞれに対応して、第１のインデックススケール２０Ａ、２０Ｂ、第２のインデックススケール２２Ａ，２２Ｂを別々に設け、それぞれのスケールに光が入射するように、ビームスプリッタ３４及び反射ミラー３６を設けることとしても良い。このような構成を採用しても、上記第１の実施形態と同様の計測を行うことが可能である。

なお、図４の構成に限らず、例えば第１のインデックススケール２０Ａ、２０Ｂを別々のスケールとせずに、一体物として構成することとしても良いし、例えば第２のインデックススケール２２Ａ、２２Ｂを別々のスケールとせずに、一体物として構成することとしても良い。

また、図１の第１のインデックススケール２０を介する前の段階で、光を分岐し、その分岐した光の光路上に参照スケール２８を配置し、該参照スケール２８を介した光を第２の受光素子３０にて受光するような構成を採用しても良い。

また、上記第１の実施形態では、光源１２からのレーザ光を振動ミラー１４の角度を周期的に変えることにより、レーザ光の角度を周期的に変調する場合について説明したが、本発明がこれに限られるものではなく、例えば、レーザ光が移動スケール２４を介した後、かつ第１の受光素子２６で受光される前の段階で、レーザ光を変調するようにするとともに、レーザ光が参照スケール２８を介した後、かつ第１の受光素子２６で受光される前の段階でレーザ光を変調するようにしても良い。この場合、例えば、移動スケール２４と第１の受光素子２６との間、及び参照スケール２８と第２の受光素子３０との間のそれぞれに振動ミラーを設けることとしても良いし、その他の変調装置を設けることとしても良い。

なお、上記第１の実施形態では、第２のインデックススケール２２の格子ピッチが第１のインデックススケール２０の格子ピッチの１／２となる関係にある場合について説明したが、これに限らず、例えば、第２のインデックススケール２２の格子ピッチが第１のインデックススケール２０の格子ピッチの１／ｎ（ｎは任意の正の整数）としても良い。

また、各格子ピッチを同一にして、第２のインデックススケール２２で、±２次回折光を発生させても良い。

《第２の実施形態》
次に、本発明の第２の実施形態について、図５を用いて説明する。なお、説明の煩雑化を避けるため、前述した第１の実施形態と同一若しくは同等の構成部分については、同一の符号を付すとともに、その説明を簡略化または省略するものとする。

図５に示されるエンコーダ１０’は、いわゆるピックアップ方式のエンコーダであり、光源１２と、コリメータレンズ１８と、振動ミラー１４と、ビームスプリッタ３４と、ビームスプリッタ３４を透過したレーザ光の光路上に順次配置された集光レンズ４０、移動スケール２４、第１の受光素子２６と、ビームスプリッタ３４で反射されたレーザ光の光路上に順次配置された集光レンズ４２、参照スケール２８、第２の受光素子３０とを含む。

前記振動ミラー１４は、前述した第１の実施形態と同様に、光源１２の図５における＋Ｘ側に配置され、−Ｘ側から入射したレーザ光を概ね−Ｚ方向に向けて反射する。この振動ミラー１４は、アクチュエータを含む不図示の駆動機構によりＹ軸回りの回転方向に周期的に振動される。したがって、厳密には、振動ミラー１４に対して−Ｘ側から入射した光の反射方向は、その反射面の向きによって異なることとなり、ビームスプリッタ３４に入射するレーザ光の角度が周期的に変調されるようになっている。

このようなエンコーダ１０’によると、光源１２から射出されたレーザ光は、コリメータレンズ１８で平行光に変換され、振動ミラー１４で反射された後、ビームスプリッタ３４に入射する。そして、ビームスプリッタ３４を透過したレーザ光は、集光レンズ４０を介して移動スケール２４の表面に集光される。

移動スケール２４の表面には、第１の実施形態と同様に、透過型の位相回折格子が形成されているので、該移動スケール２４の位置に応じて周期的（サインカーブ）な振幅を有する透過光を放出する。この透過光は、第１の受光素子２６で受光され、電気信号に変換され、不図示の制御装置に出力される。

一方、ビームスプリッタ３４で反射された光も、集光レンズ４２を介して参照スケール２８の表面に集光される。この参照スケール２８の表面にも、第１の実施形態と同様に、透過型の位相回折格子（例えば、移動スケール２４に形成された位相回折格子と同一ピッチの位相回折格子）が形成されているので、該参照スケール２８の位置に応じて周期的な振幅を有する透過光を放出する。この透過光は、第２の受光素子３０で受光され、電気信号に変換され、不図示の制御装置に出力される。

ここで、本第２の実施形態においても、参照スケール２８と光源１２等との間の位置関係が固定とされている（維持されている）ことから、第２の受光素子３０における出力は、ビームの振動に関する情報のみを示すものであり、該出力から、ビームの振動中心に関する情報を取得することができる。

したがって、本第２の実施形態においても、不図示の制御装置により、第１の受光素子２６の出力（出力１）と、第２の受光素子３０の出力（出力２）と、前述した式（１）とを用いた移動スケール２４のＸ軸方向に関する位置算出を行うことにより、前記ドリフトの影響を受けることなく、移動スケール２４のＸ軸方向に関する位置を算出することができる。

以上説明したように、本第２の実施形態のエンコーダ１０’によると、第１の実施形態と同様に、レーザ光をビームスプリッタ３４により分岐し、その一方の光を移動スケール２４を介して第１の受光素子２６で受光するとともに、その他方の光を参照スケール２８を介して第２の受光素子３０で受光するので、第１の受光素子２６の出力と第２の受光素子３０の出力とを用いて移動スケール２４の位置を算出することにより、ビームの変調中心（振動中心）のドリフトの影響を受けることなく、高精度な移動スケール２４の移動情報を計測することが可能となる。

なお、上記第２の実施形態では、移動スケール２４と参照スケール２８とが、透過型である場合について説明したが、これに限らず、図６に示されるように、移動スケール２４を反射型のスケールとすることも可能である。この場合、移動スケール２４で反射し、再度集光レンズ４０を透過した光が、ビームスプリッタ３４で反射されるので、その反射光を受光することが可能な位置に、第１の受光素子２６を設けることとすれば良い。この場合にも、上記第２の実施形態と同様の計測を行うことが可能となる。また、参照スケール２８側を反射型とすることも可能であるし、移動スケール２４及び参照スケール２８の両方を反射型とすることも可能である。

なお、上記第１、第２の実施形態では、レーザ光を変調する方法として、振動ミラー１４を周期的にＹ軸回りの回転方向に駆動する場合について説明したが、本発明がこれに限られるものではない。例えば、振動ミラーを駆動する駆動装置を取り去り、単なる反射ミラーに代え、ミラーを振動させる代わりに、光源１２をＺ軸に沿って周期的に振動させるようにすることとしても良い。また、光源１２を振動させずに、コリメータレンズ１８をＸ軸に沿って周期的に振動させることとしても良い。更に、光源１２とコリメータレンズ１８との間に音響光学素子（ＡＯＭ）や、電気光学素子（ＥＯＭ）を配置することによって、レーザ光を周期的に振動させることとしても良い。

なお、上記第１、第２の実施形態では、振動ミラー１４を採用することとしたが、これに代えて、クリスタル、音叉型クリスタルなどを用いることとしても良い。

要は、移動スケール２４及び参照スケール２８上の回折光の格子像の位置を、移動スケール表面に設けられた位相回折格子及び参照スケール表面に設けられた位相回折格子の配列方向に周期的に変化させるような構成であれば種々の変調装置を用いることが可能である。

また、上記第１、第２の実施形態では、分岐素子（図１、図２、図３における第１のインデックススケール２０、図４、図５、図６におけるビームスプリッタ３４）を固定して、レーザ光の光軸を変化させることにより、分岐素子に対するレーザ光の入射角を変化させる場合について説明したが、これに限らず、レーザ光の分岐素子に至るまでの光軸を固定し、該光軸に対する分岐素子の角度を変更することにより、分岐素子に対するレーザ光の入射角を変化させるようにしても良い。要は、分岐素子とレーザ光の相対的な入射角を変更することとすれば良い。

なお、上記第１、第２の実施形態では、移動スケール２４と参照スケール２８とが有する回折格子の格子ピッチを同一とすることとしたが、これに限らず、異なる格子ピッチを採用することとしても良い。この場合には、前述した式（１）の換算係数ｋを変更することとすれば良い。

なお、上記第１、第２の実施形態では、スケールとして回折格子を有するスケールを採用した場合について説明したが、これに限らず、遮光部と透光部とを有するパターンが形成されたスケールを採用することとしても良い。

また、上記第１、第２の実施形態では、移動スケールが移動する場合について説明したが、これに限られるものではなく、光学系などの移動スケール以外の部分が移動する場合についても本発明を採用することができる。要は、移動スケールと光学系とが相対的に移動する構成であれば良い。

なお、上記第１、第２の実施形態では、照明光を変調させる構成について説明したが、これに限らず、照明光を変調させない場合についても、本発明を採用することができる。すなわち、照明光を変調させない場合であっても、移動スケールに対する照明光のドリフトをキャンセルした状態で計測することが可能となるからである。

なお、上記第１、第２の実施形態では、移動スケール２４とこれに対応する第１の受光素子との組を一組、参照スケール２８とこれに対応する第２の受光素子３０との組を一組のみ設ける場合について説明したが、本発明がこれに限られるものではない。例えば、前者の組を２組以上用意することとしても良いし、後者の組を２組以上用意することとしても良いし、それぞれの組を２組以上用意することとしても良い。

この場合において、例えば、前者の組を２組以上用意する場合には、計測方向を２軸方向以上とすることもできるし、例えば回転体の回転量を検出するロータリーエンコーダなどの他のエンコーダに用いることもできる。

また、例えば、後者を２組以上用意する場合には、それぞれの第２の受光素子による計測値の平均をとって、この平均値を用いて移動スケールの移動情報を補正するなどして、より高精度な計測を行うこととしても良いし、その他種々の計測に用いることとしても良い。

なお、上記各実施形態では、第１、第２のインデックススケール２０，２２と移動スケール２４と参照スケール２６が、位相格子を有する場合について説明したが、これに限らず、振幅型の回折格子（明暗型の回折格子）を採用しても良い。また、振幅型の回折格子（明暗型の回折格子）と位相格子とを混在させることとしても良い。

≪第３の実施形態≫
以下、本発明の第３の実施形態を図７、図８に基づいて説明する。図７には、本発明の第３の実施形態に係るエンコーダ２００の光学系の概略構成が示されている。図７に示されるように、エンコーダ２００の光学系は、光源１１１と、コリメータレンズ１１２と、インデックススケール１１３と、ミラー１１４Ａ，１１４Ｂと、移動スケール１１５と、受光素子１１６と、受光素子１２０とを含んでいる。エンコーダ２００では、インデックススケール１１３を振動させるためのアクチュエータ１１７を更に含んでいる。

光源１１１は、例えば波長λ＝８５０ｎｍのレーザ光を出射するレーザ光源である。インデックススケール１１３及び移動スケール１１５には、透過型の回折格子が設けられている。その回折格子は、例えば位相格子である。インデックススケール１１３と移動スケール１１５の回折格子の格子ピッチｐは互いに同じであり、５０μｍ以下、例えば８μｍ程度に設定されている。アクチュエータ１１７は、例えばピエゾ素子からなり、振動幅：数μｍ、周波数：２０〜３０ｋＨｚ程度で振動可能である。

インデックススケール１１３の回折格子は、０次光が発生せず、±１次回折光のみが発生する回折格子となっている。なお、インデックススケール１１３としては、各格子を通過する光に位相差を生じさせて、０次光を消失させるために、格子の凹凸差をλ／２に設定したものを用いることができる。

インデックススケール１１３のＸ軸方向の中央部には、回折格子が設けられていない部分、すなわち透光部がある。この部分では、＋Ｚ側から入射した光は、そのまま−Ｚ側に透過することになる。すなわち、インデックススケール１１３は、入射光を、移動スケール１１５に照射する±１次回折光と、透過光とに分岐（分離）する分岐光学系（分離光学部材）であるといえる。

受光素子１２０は、インデックススケール１１３の光透過部の真下に配置されている。受光素子１２０は、２分割のフォトダイオードである。各受光面の境界のＸ位置は、インデックススケール１１３のＸ軸方向に関する振動中心に一致するように設定されている。

第３の実施形態に係るエンコーダ２００では、光源１１１、コリメータレンズ１１２、ミラー１１４Ａ、１１４Ｂ、インデックススケール１１３、アクチュエータ１１７、受光素子１１６、１２０は、互いの位置が固定されている。それに対し、移動スケール１１５は、不図示の移動体（測定対象物）とともに変位する。その変位する方向は、移動スケール１１５の回折格子の形成面と平行であり格子線に垂直な方向である。なお、図７中では、この移動スケール１１５の移動方向をＸ軸方向とし、移動スケール１１５の格子線方向をＹ軸方向とし、移動スケール１１５の法線方向をＺ軸方向とした右手系のＸＹＺ直交座標系が定義されている。以下、必要に応じてこの直交座標系を用いて説明する。

また、エンコーダ２００は、この他に、図８に示されるように、信号処理系として、受光素子１１６に接続された受光回路１２１と、移動スケール１１５の変位を検出する検出装置１２２と、受光素子１２０に接続された受光回路１２３と、中点をモニタする信号を検出する検出装置１２４と、角周波数ωの正弦波信号（ｓｉｎωｔ）を出力する発振回路１２６と、エンコーダの出力信号を生成して出力するエンコーダ信号処理回路１２７と、変調度を制御する変調度制御回路１２８と、アクチュエータ１１７を駆動するアクチュエータ駆動回路１２９とを含んでいる。

変調度制御回路１２８は、発振回路１２６から与えられる角周波数ωの正弦波信号（ｓｉｎωｔ）に応じて、アクチュエータ駆動回路１２９に対し正弦波に基づく変調信号を与え、アクチュエータ１１７を駆動制御する。これにより、インデックススケール１１３のＸ軸方向の位置が正弦波状に変動する。なお、この制御では、変調度制御回路１２８の変調度を一定値に保つ制御も行われる。

受光回路１２１は、受光素子１１６を連続的に駆動するとともに、受光素子１１６から出力される信号を連続的に取り込み、検出装置１２２に与える。検出装置１２２は、その信号に含まれる後述する変調周波数の０次成分、１次成分、２次成分、３次成分、４次成分などを検出する。０次成分は、光源を駆動する不図示の光源駆動回路における光量の制御に用いられ、１次成分、２次成分、３次成分、４次成分は、変調度制御回路１２８における変調度の制御に用いられる。

エンコーダ信号処理回路１２７は、検出装置１２２において検出された１次成分、２次成分を取り込み、それらの成分に基づいて、移動スケール１１５の変位を示す信号として、ｓｉｎ（４πｘ／ｐ）の値を示すサイン信号と、ｃｏｓ（４πｘ／ｐ）を示すコサイン信号とを生成してエンコーダ出力として出力する。サイン信号とコサイン信号とは、同一の受光素子１１６からの干渉信号Ｉによって生成されたもの（移動スケール１１５の同一領域を通過した照明光によって生成されたもの）なので、移動スケール１１５の姿勢が仮に変動しても、両者の位相関係は変動しない。

受光回路１２３は、受光素子１２０を連続的に駆動するとともに、受光素子１２０から出力される信号を連続的に取り込み、検出装置１２４に与える。検出装置１２４は、受光素子１２０の受光結果に基づいて、２分割のフォトダイオードの出力の偏りを検出し、検出された偏りに基づいて、インデックススケール１１３のＸ軸方向に関する信号中心を検出する。

次に、エンコーダ２００の動作について説明する。光源１１１は、照明光を出射する。その照明光は、コリメータレンズ１１２で平行光となり、インデックススケール１１３に入射する。インデックススケール１１３の回折格子に入射した光は、その回折作用により各次数の回折光を生起させる。インデックススケール１１３で生じた±１次回折光は、ミラー１１４Ａ、１１４Ｂで個別に反射された後、移動スケール１１５の同じ位置で交わるように設定されている。すなわち、インデックススケール１１３で分離された±１次回折光は、移動スケール１１５の同一位置に入射する。移動スケール１１５は、インデックススケール１１３から発せられた＋１次回折光を回折して−１次回折光を発し、インデックススケール１１３から発せられた−１次回折光を回折して＋１次回折光を発する。移動スケール１１５で発せられた±１次回折光は、互いに−Ｚ側に進み、互いに干渉した状態で、受光素子１１６に入射する。受光素子１１６は、入射した±１次回折光の干渉強度を示す信号（以下、干渉信号Ｉと称す）を出力する。

エンコーダ２００においては、アクチュエータ１１７が駆動されると、インデックススケール１１３の位置がＸ軸方向に周期的に変動され、移動スケール１１５上の±１次回折光の位相差が変化されるようになる。位相差の変化により、干渉信号Ｉが変調されるようになる。

検出装置１２２は、発振回路１２６から与えられるパルス信号を入力し、そのパルスの角周波数ωの正弦波（ｓｉｎωｔ）、２倍の角周波数２ωの正弦波（ｃｏｓ２ωｔ）などにより、信号の同期検波を行い、その１次成分、２次成分を検出する。エンコーダ信号処理回路１２７は、抽出された１次成分、２次成分に基づいて、サイン信号とコサイン信号とを生成して出力する。エンコーダ信号処理回路１２７は、サイン信号とコサイン信号とに基づいて、移動スケール１１５の変位に関する情報をエンコーダ出力として出力する。

一方、図７に示されるように、インデックススケール１１３の光透過部を通過した光は、受光素子１２０で受光され、その受光結果に相当する信号が受光回路１２３に送られる。受光回路１２３では、受光素子１２０からの信号を、検出装置１２４が処理できる信号に変換し、変換した信号を検出装置１２４に送る。検出装置１２４は、この信号に基づいてインデックススケール１１３の振動中心の位置ドリフト量を検出する。この検出結果は、アクチュエータ駆動回路１２９に送られ、アクチュエータ駆動回路１２９は、アクチュエータ１１７に対し、その位置ドリフト量を打ち消すような駆動指令を与える。これにより、インデックススケール１１３の振動中心、すなわち中点の位置が常に一定となるように制御されるようになる。

以上詳細に述べたように、本第３の実施形態によれば、インデックススケール１１３において、照明光が、移動体の変位検出用の光（第１の光）と中点モニタ用の光（第２の光）とに分離される。移動体の変位検出用の光は、移動スケール１１５に投射されて、移動スケール１１５の相対変位に関する情報を含む光となり、中点モニタの光は、照明光のＸ軸方向に関する位置情報を含む光として検出される。すなわち、本実施形態に係るエンコーダ２００では、入射した照明光を、移動スケール１１５に照射する±１次回折光と、その移動スケール１１５上に照射される±１次回折光の照射位置に関する情報を含む透光部を通過する光に分離する分離光学系としてのインデックススケール１１３を配置し、その透光部を通過した光によって±１次回折光の照射位置に関する情報を検出している。±１次回折光とインデックススケール１１３の透光部を透過した光とは同じ照明光から発せられた光であるため、透光部を透過した光を用いれば、第１の光の照射位置に関する情報を正確に検出することができるようになる。

また、本実施形態によれば、移動体の変位検出用の第１の光は、インデックススケール１１３上に形成された回折格子によって生成される０次光以外の回折光（±１次回折光）であり、中点モニタ用の第２の光は、インデックススケール１１３上の回折格子が形成されていない部分の光である。このようにすれば、中点モニタ用の光のＸ軸方向に関する位置は、インデックススケール１１３のＸ軸方向の振動に応じて変動するので、その光に基づいて、インデックススケール１１３の振動中心を検出するのが容易となる。

また、本実施形態では、インデックススケール１１３上の回折格子として、０次光が発生しないものが採用されている。このようにすれば、中点モニタ用の受光素子１２０へのインデックススケール１１３の回折格子からの入射がなくなるので、中点を高精度にモニタすることができる。

なお、本実施形態に係るエンコーダ２００では、インデックススケール１１３の回折格子として、０次光が発生する回折格子を採用してもよい。この場合には、その０次光が、移動スケール１１５の変位の検出やインデックススケール１１３の中点の検出に影響を与えないように注意する必要がある。

また、受光素子１２０に、インデックススケール１１３の透光部以外から光が斜入射するのを阻止するための側壁が設けられていても良い。また、インデックススケール１１３の−Ｚ側面中央部、すなわち透光部の周辺に、受光素子１２０への光の入射を阻止するための遮光膜を形成しておくようにしてもよい。

なお、本第３の実施形態に係るエンコーダ２００では、インデックススケール１１３のＸ軸方向中央部に、回折格子が設けられていない透光部を設け、その透光部を通過した光に基づいて、インデックススケール１１３の振動中心を検出したが、本発明はこれには限られない。例えば、インデックススケール１１３の全面に回折格子を設け、本実施形態に係るエンコーダ２００と同様に、その回折格子により発生する±１次回折光を移動スケール１１５上に照射して、移動体の変位を検出するために光として用い、その回折格子からの０次光のみを、集光レンズで集め、その受光結果を、照明光のＸ軸方向に関する位置ドリフトを検出するための情報として用いるようにしてもよい。

≪第４の実施形態≫
次に、本発明の第４の実施形態について図９に基づいて説明する。図９には、本第４の実施形態に係るエンコーダ２０１の光学系の概略構成が示されている。図９に示されるように、エンコーダ２０１は、透過型の回折格子を有するインデックススケール１１３の代わりに、反射型の回折格子を有するインデックススケール１１３’が設けられている点が上記第３の実施形態に係るエンコーダ２００と異なっている。また、このエンコーダ２０１では、ミラー１１４Ａ、１１４Ｂは、インデックススケール１１３’の斜め上方に配置されている。

インデックススケール１１３’の回折格子は、例えば位相格子である。インデックススケール１１３’は、インデックススケール１１３と同様に、その回折格子の格子ピッチはｐであり、０次光が発生せず、±１次回折光のみが発生する回折格子となっている。インデックススケール１１３’から発生した反射光としての±１次回折光は、ミラー１１４Ａ、１１４Ｂで反射され、移動スケール１１５の同一位置に入射するようになる。

移動スケール１１５で発せられた±１次回折光は、互いに−Ｚ側に進み、互いに干渉した状態で、受光素子１１６に入射する。上記第３の実施形態と同様に、インデックススケール１１３’の位置は、アクチュエータ１１７によりＸ軸方向に周期的に振動するので、受光素子１１６において、入射した±１次回折光の干渉強度を示す変調信号（以下、干渉信号Ｉと称す）が検出されるようになる。この干渉信号Ｉからの移動スケール１１５の変位の検出方法は、上記第３の実施形態に係るエンコーダと同じであるので、説明を省略する。

インデックススケール１１３’のＸ軸方向の中央部には、回折格子が設けられていない部分、すなわち透光部がある。この部分では＋Ｚ側から入射した光は、インデックススケール１１３の透光部と同様に、そのまま−Ｚ側に透過することになる。すなわち、インデックススケール１１３’は、入射光を、移動スケール１１５に照射する±１次回折光と、透過光とに分離（分岐）する分離光学部材（分岐光学系）であるといえる。

受光素子１２０は、インデックススケール１１３’の光透過部の真下に配置されている。受光素子１２０は、上記第３の実施形態と同様に、２分割のフォトダイオードであり、各受光面の境界のＸ位置は、インデックススケール１１３’のＸ軸方向に関する振動中心に一致するように設定されている。本実施形態では、上記第３の実施形態に係るエンコーダと同様に、受光素子１２０の受光結果に基づいて、２分割のフォトダイオードの出力の偏りを検出し、検出された偏りに基づいて、インデックススケール１１３’のＸ軸方向に関する信号中心が検出される。

なお、インデックススケール１１３’の回折格子は、０次光が発生する回折格子であってもよい。

なお、本実施形態では、ミラー１１４Ａ、１１４Ｂの代わりに、９０度プリズムなどを配置するようにしてもよい。

以上詳細に述べたように、本実施形態によれば、移動体の変位に関する情報を検出するための光と、照明光のＸ軸方向の位置をモニタするための光の進行方向を逆にしているので、両者の再干渉が防止され、移動体の変位及び変調中点を確実に検出することが可能となる。

なお、上記第３、第４実施形態では、位置ドリフトを検出するための光を受光する受光素子を２分割のフォトダイオードとしたが、ＣＣＤ（電荷結合素子）を採用してもよい。また、集光レンズとフォトダイオードの組合せを採用するようにしてもよい。

例えば、受光素子１２０の代わりに絞りを置き、その後方に集光レンズと単一の受光面とを有する受光素子とをこの順で配置し、絞りと集光レンズによるレーザビームの集光位置とが一致したときだけ、そのレーザビームが受光素子に入射されるようにすれば、上記第３、第４の実施形態と同様に、レーザビームの位置の変動中心がドリフトしていることを検出することができる。また、これらの代わりに、受光面が小さい受光素子を用いてもよい。

また、受光素子１２０の代わりに、集光レンズとナイフエッジと単一の受光面を有する受光素子とを、この順で、配置するようにしてもよい。集光レンズにより集光されたレーザビームは、ナイフエッジ上に集光されるようになる。ナイフエッジに遮られずに通過した光は、受光素子によって受光され電気信号に変換されるようにする。

レーザビームのスポットの振動中心が、ナイフエッジの端部と一致している場合には、受光素子から出力される信号のデューティ比は５０％となるように設定されているが、レーザビームの振動中心がナイフエッジの端部と一致していない場合には、受光素子から出力される信号のデューティ比は５０％からずれてくる。したがって、この場合には、この信号のデューティ比が５０％となるように、レーザビームのスポットの振動中心を調整すればよい。

また、上記第３、第４の実施形態のエンコーダでは、インデックススケール１１３、１１３’をＸ軸方向に振動させることにより、検出信号を変調したが、これに限らず、インデックススケール１１３、１１３’に対する入射角を周期的に変化させることにより、検出信号を変調するようにしてもよい。例えば、光源１１１とレンズ１１２との間にアクチュエータ１１７を有する反射ミラーを配置し、光源１１１から射出された光の反射方向を周期的に変えることによって、インデックススケール１１３、１１３’に対する入射角を周期的に変化できる。また、この場合、アクチュエータ１１７を有する反射ミラーとして、水晶振動子を使用することができる。また、光源１１１の位置を、周期的に変化させることにより、検出信号を変調するようにしてもよく、光源１１１からの照明光の出射位置を、周期的に変化させることにより、検出信号を変調するようにしてもよい。

なお、上記第３、第４の実施形態に係るエンコーダは、光源１１１や、コリメータレンズ１１２を振動させるようにしてもよい。また、本発明は、上記第３、第４の実施形態に係るエンコーダのような変調方式でないエンコーダについても適用することができる。

なお、本発明は、影絵（スリットシャッタ）方式のエンコーダにも適用することが可能である。

以上説明したように、本発明のエンコーダは、計測用スケールの位置を計測するのに適している。

Claims (24)

1. 所定方向に沿って配列されたパターンが形成された計測用スケールと；
   入射した照明光を、前記計測用スケールに照射する第１の光と、前記計測用スケール上における前記第１の光の照射位置に関する情報を含む第２の光とに少なくとも分岐する分岐光学系と；
   前記第２の光を受光する第２の光用の受光器と；
   前記第２の光用の受光器の受光結果に基づいて、前記計測用スケール上における前記第１の光の照射位置に関する情報を検出する検出装置と；を備えるエンコーダ。
2. 請求項１に記載のエンコーダにおいて、
   前記計測用スケールは、前記分岐光学系に対して相対的に変位し、
   前記計測用スケールを介した光を受光する第１の光用の受光器を更に備えるエンコーダ。
3. 請求項２に記載のエンコーダにおいて、
   前記分岐光学系との間の位置関係が固定され、前記第２の光が照射される検出用スケールを更に備え、
   前記第２の光用の受光器は、前記検出用スケールを介した光を受光するエンコーダ。
4. 請求項３に記載のエンコーダにおいて、
   前記検出装置は、前記第１の光用の受光器の受光結果と、前記第２の光用の受光器の受光結果とに基づいて、前記相対的な変位を算出するエンコーダ。
5. 請求項４に記載のエンコーダにおいて、
   前記計測用スケールは、前記相対的に変位する方向に配列された第１パターンを有し、
   前記検出用スケールは、前記第１パターンの配列方向に沿って配列された第２パターンを有するエンコーダ。
6. 請求項５に記載のエンコーダにおいて、
   前記第１の光を前記第１パターンの配列方向に変調するとともに、前記第２の光を前記第２パターンの配列方向に変調する変調装置を更に備えるエンコーダ。
7. 請求項６に記載のエンコーダにおいて、
   前記変調装置は、前記第１パターンを介した後、前記第１の光用の受光器で受光する前の前記第１の光を変調するとともに、前記第２パターンを介した後、前記第２の光用の受光器で受光する前の前記第２の光を変調するエンコーダ。
8. 請求項６に記載のエンコーダにおいて、
   前記変調装置は、前記分岐光学系に入射する前記照明光の角度を周期的に変調するエンコーダ。
9. 請求項５に記載のエンコーダにおいて、
   前記第１パターンの配列ピッチと、前記第２パターンの配列ピッチとは、同一であるエンコーダ。
10. 請求項４に記載のエンコーダにおいて、
    前記分岐光学系は、
    前記照明光を２つの光に分岐する分岐素子と、
    前記２つの光のうち、一方の光を前記計測用スケール上に集光させる第１の集光光学系と、
    前記２つの光のうち、他方の光を前記検出用スケール上に集光させる第２の集光光学系とを有するエンコーダ。
11. 請求項４に記載のエンコーダにおいて、
    前記分岐光学系は、
    前記照明光を２つの光に分岐する分岐素子と；
    前記２つの光のそれぞれを前記計測用スケール上及び前記検出用スケール上で互いに干渉させる光学部材と；を有し、
    前記第１の光は、前記２つの光のそれぞれの一部が前記計測用スケール上で干渉した光であり、
    前記第２の光は、前記２つの光のそれぞれの一部が前記検出用スケール上で干渉した光であるエンコーダ。
12. 請求項１１に記載のエンコーダにおいて、
    前記光学部材は、前記２つの光を、前記計測用スケールに入射する光と、前記検出用スケールに入射する光とに分岐するビームスプリッタを有するエンコーダ。
13. 請求項１１に記載のエンコーダにおいて、
    前記変調装置は、前記分岐素子と該分岐素子に入射する前記照明光との相対的な位置関係を周期的に変調するエンコーダ。
14. 請求項１３に記載のエンコーダにおいて、
    前記変調装置は、前記分岐素子へ入射する前記照明光の角度を、周期的に変化させるエンコーダ。
15. 請求項４に記載のエンコーダにおいて、
    前記分岐光学系は、
    前記照明光を３つの光に分岐する分岐素子と、
    前記３つの光のうち、２つの光のそれぞれを前記計測用スケール上で互いに干渉させるとともに、前記３つの光のうち、２つの光のそれぞれを前記検出用スケール上で互いに干渉させる光学部材とを有するエンコーダ。
16. 請求項１５に記載のエンコーダにおいて、
    前記変調装置は、前記計測用スケール及び前記検出用スケール上の前記回折光の格子像の位置を前記第１パターン及び前記第２パターンの配列方向に周期的に変化させるエンコーダ。
17. 請求項１５に記載のエンコーダにおいて、
    前記変調装置は、前記分岐素子と該分岐素子に入射する前記照明光との相対的な位置関係を周期的に変調するエンコーダ。
18. 請求項１７に記載のエンコーダにおいて、
    前記変調装置は、前記分岐素子へ入射する前記照明光の角度を、周期的に変化させるエンコーダ。
19. 請求項１に記載のエンコーダにおいて、
    前記分岐光学系は、前記所定方向に沿って配列された格子パターンを有し、
    前記第１の光は、
    前記格子パターンによって生成される０次以外の回折光であり、
    前記第２の光は、
    前記分岐光学系のうち、前記格子パターンが形成されていない部分の光であるエンコーダ。
20. 請求項１９に記載のエンコーダにおいて、
    前記格子パターンは、±１次回折光を発生し、０次光が発生しないエンコーダ。
21. 請求項１に記載のエンコーダにおいて、
    前記分岐光学系は、入射した照明光に基づいて、±１次回折光を生成する格子パターンを有し、
    前記第１の光は、前記±１次回折光であり、
    前記第２の光は、前記格子パターンを透過した光であるエンコーダ。
22. 請求項２１に記載のエンコーダにおいて、
    前記±１次回折光は、前記照明光が前記格子パターンで反射することによって生成されるエンコーダ。
23. 請求項１に記載のエンコーダにおいて、
    前記分岐光学系は、入射した照明光に基づいて、±１次回折光及び０次光を生成する格子パターンを有し、
    前記第１の光は、前記±１次回折光であり、
    前記第２の光は、前記０次光であるエンコーダ。
24. 請求項１、１９〜２３のいずれか一項に記載のエンコーダにおいて、
    前記計測用スケールに形成されたパターンは、回折格子であり、
    前記計測用スケール上の照明光の照射位置は、前記所定方向に沿って、周期的に変動しており、
    前記検出装置は、前記受光器の受光結果に基づいて、前記照明光の照射位置の変動中心を検出するエンコーダ。

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