JP5339109B2 - ロータリーエンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、ロータリーエンコーダに係り、さらに詳細には、回転体の回転情報を検出するロータリーエンコーダに関する。

近年、高分解能なエンコーダが幾つか提案されている（例えば、特許文献１、２、３参照）。これらのエンコーダは、スケールとプローブとを備えており、ステージに取り付けられたスケールに対するプローブの相対変位を検出するシステムとして構成されている。スケールは１次元方向に沿った周期的なパターンを有している。プローブは、そのスケール上をそのパターンの配列方向に沿って振動可能に設置されている。このプローブは、スケール上をそのパターンの配列方向に振動することにより、スケールとプローブの振動中心の相対位置に関する情報を含んだ信号を出力するが、その信号は、プローブを振動させるための周期的な駆動信号により変調されている。

そこで、エンコーダは、プローブから出力された信号に基づいてスケールとプローブとの振動中心との相対変位を検出する検出装置をさらに備えている。この検出装置では、プローブの振動の駆動信号の高調波信号を周波数シンセサイザで発生させ、プローブを振動させる駆動信号と、プローブから出力される信号とを比較することでプローブとスケールとの相対位置を求めている。

エンコーダの検出装置においては、上記周波数シンセサイザなどをサンプル値系で構成するのが一般的である。サンプル値系において駆動信号の高調波を不都合なく発生させるためには、その演算周期を、信号の変調に用いられる元周波（駆動信号）の周期の整数分の一に設定する必要がある。

一方、回転体の回転情報を検出するロータリーエンコーダの中には、その検出ヘッドを、スケールディスクの回転方向に関して例えば１８０°ずらして２個搭載し、それぞれの計測角の和の１／２を物体の回転量として算出し、スケールディスクの偏心に関わらず、高精度に回転体の回転量を検出するものが知られている。このようなロータリーエンコーダでは、２つの検出ヘッドでの回転量の検出タイミングを同一とし、信号の遅れ時間（データエイジ）を厳密に揃える必要がある。しかしながら、ロータリーエンコーダの検出方式としてプローブを振動させる方式を採用する場合には、各プローブでの回転量のサンプリング周期を、信号の変調に用いられる駆動信号の周期の整数分の一にしなければならないという制約があり、プローブごとに振動させる駆動信号の周波数がまちまちであると、各プローブの検出タイミングを同一とするのが困難となる。

特表２０００−５１１６３４号公報 米国特許第５，５８９，６８６号明細書 米国特許第６，６３９，６８６号明細書

本発明は、第１の観点からすると、回転体の回転情報を検出するロータリーエンコーダであって、前記回転体上にその回転方向に配列されたパターンを有するスケールと；前記スケールに前記回転方向に第１の周期信号で振動させた光を照射して前記パターンを検出することで、前記第１の周期信号で変調された信号を出力する第１のプローブと；前記スケールに前記回転方向に第２の周期信号で振動させた光を前記回転方向に関して前記第１のプローブとは異なる位置で照射して前記パターンを検出することで、前記第２の周期信号で変調された信号を出力する第２のプローブと；前記第１のプローブ及び前記第２のプローブからの信号を、前記第１の周期信号の周期及び前記第２の周期信号の周期の少なくとも一方との比が２以上の整数比となるように設定された所定のサンプリング周期で同期検波する検波装置と；前記第１の周期信号と、前記第２の周期信号とを同期させる同期装置と；を備え、前記検波装置からの検波情報から前記回転体の回転情報を検出するロータリーエンコーダである。

これによれば、第１のプローブの変調に用いられる第１の周期信号と、第２のプローブに用いられる第２の周期信号とを同期させるので、その変調された信号に基づいて回転量を検出するサンプル値系のサンプルのタイミングを同期させることができるようになり、各プローブからの信号の検出タイミングを一致させることが可能となる。

本発明は、第２の観点からすると、回転体の回転情報を検出するロータリーエンコーダであって、前記回転体上にその回転方向に配列されたパターンを有するスケールと；第１の光を、第１の周期信号に従って前記回転方向に振動させた状態で前記スケールに照射する第１のプローブと；前記第１の周期信号とは周波数が異なる第２の周期信号に従って第２の光を前記回転方向に振動させた状態で、前記スケール上の前記第１の光の照射位置とは異なる位置に照射する第２のプローブと；前記スケールからの前記第１の光及び前記第２の光を受光し、その受光結果に応じた信号を出力する受光装置と；該受光装置からの出力信号を、前記第１の周期信号の周期及び前記第２の周期信号の周期の少なくとも一方との比が２以上の整数比となるように設定された所定のサンプリング周期で同期検波する検波装置と；を備え、前記検波装置からの検波情報から前記回転体の回転情報を検出するロータリーエンコーダである。

これによれば、第１の周期信号で変調された第１の光と、その第１の周期信号とは周波数が第２の周期信号で変調された第２の光とを、同一の受光装置で受光し、その受光装置からの信号を、同一の検波装置で、第１の周期信号及び第２の周期信号を用いて同期検波することができるようになるので、回転体の回転情報を複数の異なる位置で検出する場合であっても、受光装置や検波装置を複数備える必要がなくなる。

≪第１の実施形態≫
以下、本発明の第１の実施形態を図１〜図４（Ｃ）に基づいて説明する。図１には、本発明の第１の実施形態に係るロータリーエンコーダ１００の概略的な構成が示されている。図１に示されるように、ロータリーエンコーダ１００は、ディスク１０と、発振回路１２と、２つのプローブ１４₁、１４₂と、検出装置１６₁、１６₂と、処理装置１８とを備えている。

ディスク１０は、円板状の物体であり、回転情報の検出対象となっている不図示の回転体とともに回転する回転軸２０を中心に、回転可能に構成されている。ディスク１０上には、その回転方向に周期性を有する反射型の回折格子（図２のグレーティング１）が形成されている。この回折格子は凹凸面型の回折格子であり、その面形状は正弦波形状となっている。また、そのピッチ（周期）は、全区間で同一である。

発振回路１２は、単一の水晶発振器を備えており、その水晶発振器から、所定の周波数のクロック信号を出力する。このクロック信号は、プローブ１４₁、１４₂と、検出装置１６₁、１６₂とに出力されている。

図２には、プローブ部１４₁の構成が概略的に示されている。図２に示されるように、プローブ部１４₁は、レーザダイオード３と、コリメータレンズ４と、ビームスプリッタ６と、対物レンズ７と、焦点レンズ８と、光センサ９とを備えている。対物レンズ７は、駆動装置１１に接続され、ディスク１０の回転方向、すなわちグレーティング１の配列方向に振動可能に構成されている。

レーザダイオード３から射出されたレーザビーム（波長は、例えば６４０ｎｍ）は、コリメータレンズ４でコリメートされた後、ビームスプリッタ６を通過して、対物レンズ７によってディスク１０のグレーティング１上に集光される。駆動装置１１は、発振回路１２から入力されたクロック信号に従う正弦波電圧（周波数は例えば１．５ＫＨｚ）を発生させ、内部に備える圧電素子がその正弦波電圧に従って対物レンズ７を振動させている。この振動によりビーム偏向が実現され、レーザビームがディスク１０のグレーティング１上でその回転方向に振動する。この正弦波電圧の変動を表す関数をｒ×ｓｉｎωｔとする。ｒは振動の振幅であり、ωは振動角周波数であり、ｔは時間である。

グレーティング１上で反射したレーザビームは、対物レンズ７を通過して、ビームスプリッタ６で折り曲げられ、焦点レンズ８を経由して、光センサ９で受光される。光センサ９から受光された信号は、後述する検出装置１６₁へ送られる。

このように、プローブ部１４₁は、ディスク１０のグレーティング１に向けてレーザビームを出力し、グレーティング１で反射したレーザビーム（ビームプローブ）を光センサ９で受光し、その受光結果に相当する信号を出力している。プローブ部１４₁は、このビームプローブを円周方向に角周波数ωで振動させているため、プローブ部１４₁から出力される信号は、ディスク１０上のグレーティング１の空間角周波数ω’の信号成分と、ビームプローブの振動角周波数ωの信号成分とを含んだ信号となっている。言い換えると、この出力信号は、ディスク１０上のグレーティング１の空間角周波数ω’の信号が、ビームプローブの振動角周波数ωの信号で変調された変調信号となっている。

プローブ部１４₂の構成は、図２のプローブ部１４₁の構成と同じとなっている。プローブ部１４₂は、ディスク１０のグレーティング１に向けてレーザビーム（ビームプローブ）を出力し、そのグレーティング１で反射したビームを光センサ９で受光し、その受光結果に相当する信号を出力している。すなわち、プローブ部１４₂は、プローブ部１４₁と同様に、ビームプローブを、発振回路１２からの駆動信号に基づいて、ディスク１０の回転方向に振動させている。このため、光センサ９で検出されプローブ部１４₂から出力されている信号も、ディスク１０上のグレーティング１の空間角周波数ω’による信号が、レーザビームの振動（角周波数ω）により変調された変調信号となっている。

なお、プローブ部１４₁のビームプローブの振動中心の位置と、プローブ部１４₂のビームプローブの振動中心の位置とは、互いに、ディスク１０の回転方向に、１８０°ずれて配置されている。

図３には、検出装置１６₁の概略的な構成が示されている。この検出装置１６₁は、フィルタ９１と、周波数シンセサイザ９２と、乗算部９３₁、９３₂と、位相検出部９４と、振幅検出部９５と、距離算出部９６とを備えている。

プローブ部１４₁から出力された信号は、フィルタ９１に入力される。ローパスフィルタであるフィルタ９１では、この信号の高調波成分が除去される。一方、周波数シンセサイザ９２は、発振回路１２から入力された駆動信号に基づいて、ビームプローブの発振に対応する周期信号（振動角周波数ω、振幅ｒ）を発生させる。フィルタ９１の出力と、この周期信号とは、乗算器９３₁、９３₂で掛け合わされ、それぞれの乗算結果が位相検出部９４、振幅検出部９５に入力される。位相検出部９４では、周波数シンセサイザ９２から出力された周期信号の周波数に対応するフィルタ９１の出力の成分の位相が検出され、振幅検出部９５では、その周期信号に対応するフィルタ９１の出力の成分の振幅が検出される。距離算出部９６では、検出された位相及び振幅に基づいて、ディスク１０のグレーティング１の頂点（峰）からのビームプローブの振動中心の距離が算出される。

検出装置１６₂の構成は、図３の検出装置１６₁の構成と同一であるため、説明を省略する。なお、これら検出装置１６₁、１６₂のさらなる詳細な構成については、特表２０００−５１１６３４号公報又は米国特許第６６３９６８６号明細書に開示されているので、説明を省略する。また、検出装置１６₁、１６₂の構成は、図３のものには限られず、上記公報及び明細書等に開示された構成を採用することが可能である。

検出装置１６₁、１６₂は、サンプル値系で構成されており、所定のサンプル周期Δｔで、一連のデジタル回路の演算が行われる。図４（Ａ）に示されるように、本実施形態では、プローブ部１４₁のビームプローブの発振と、プローブ部１４₂のビームプローブの発振とを、発振回路１２から発せられた同一のクロック信号に基づいて行っているので、それらの発振周波数は同一（ω）となる。また、検出装置１６₁、１６₂では、サンプル周期Δｔと、発振回路１２から発せられるプローブ発振の駆動信号（すなわち、変調用の信号）の周期２π／ωとの比が整数比となるように設定されている。このようにしなければ、プローブ部１４₁、１４₂からの出力信号に含まれる周波数成分と、検出装置１６₁、１６₂のサンプリング周波数との間にビートが発生し、このビートが、回転量の検出の妨げになるからである。以上のことから、検出装置１６₁と、検出装置１６₂とでは。そのサンプリング周期Δｔを同一とすることができる。この結果、検出装置１６₁での回転量の検出タイミングと、検出装置１６₂での回転量の検出タイミングとを、同期させることができるようになる。図４（Ａ）では、検出装置１６₁の検出タイミングと、検出装置１６₂の検出タイミングとは、完全に一致している。

検出装置１６₁において検出されたディスク１０の回転量と、検出装置１６₂において検出されたディスク１０の回転量とは、処理装置１８に送られる。図４（Ａ）に示されるように、検出装置１６₁で検出された回転量と、検出装置１６₂で検出された回転量とは同時に検出されたものであるため、この処理装置１８では、これらの回転量の平均を、そのままディスク１０の回転量として算出することができる。この算出結果は、ディスク１０の偏心量が除去されたその回転量であり、そのまま、ディスク１０が取り付けられた不図示の回転体の回転量とすることができる。処理装置１８は、算出された回転量に基づいて回転体の回転情報（例えば回転量又は回転速度）を外部に出力する。

以上詳細に述べたように、本実施形態によれば、プローブ部１４₁の変調に用いられる周期信号と、プローブ部１４₂に用いられる周期信号とを、発振回路１２から発生された同一の信号としているので、その発振周期の整数分の一とすべき検出装置１６₁、１６₂のサンプル周期を同一として、各プローブ部１４_1、１４₂からの信号の検出タイミングを同期させることが可能となる。この結果、検出装置１６₁、１６₂で検出されたディスク１０の回転量は、常に同じタイミングで検出されたものとなるので、同時に検出されたディスク１０の回転量に基づいて、回転体の回転情報を高精度に検出することができるようになる。

また、本実施形態では、プローブ部１４₁のビームプローブを振動させるための信号と、プローブ部１４₂のビームプローブを振動させるための信号とを、発振回路１２から出力される同一のクロック信号に基づくものとし、それらの振動角周波数ωを同一とし、位相差を０に保っている。すなわち、２つのプローブ部１４₁、１４₂におけるビームプローブの振動を完全同期させている。このようにすれば、同時に検出されたディスク１０の異なる位置での回転量を用いて、回転体の回転情報を、ディスク１０の偏心に関わらず、かつ、遅れなく検出することができるようになる。

なお、２つのプローブ部１４₁、１４₂のビームプローブの振動を、完全に同期させる必要はなく、プローブ部１４₁のビームプローブの振動角周波数と、プローブ部１４₂のビームプローブの振動角周波数との比を整数比としてもよい。図４（Ｂ）には、プローブ部１４₁のビームプローブの振動角周波数ω１と、プローブ部１４₂のビームプローブの振動角周波数ω２との関係が、２ω１＝ω２である場合のサンプル値系のタイムチャートが示されている。この場合においても、図４（Ｂ）に示されるように、検出装置１６₁におけるの処理回路のサンプル周期と、検出装置１６₂におけるサンプル周期をΔｔで同一とすることが可能である。すなわち、各プローブ部１４₁、１４₂のビームプローブの発振周波数の比を整数としておけば、演算周期Δｔを同一に設定することができ、検出信号の出力タイミングを完全に同期させることが可能である。

また、本実施形態によれば、プローブ部１４₁、１４₂は、ともに、ディスク１０のグレーティング１に照射するビームをその回転方向に振動させるために対物レンズ７を駆動する駆動装置１１を有している。そして、プローブ部１４₁を構成する駆動装置１１を振動させるための駆動信号と、プローブ部１４₂を構成する駆動装置１１を振動させるための駆動信号とを発振回路１２から出力された同一の信号としている。しかしながら、本発明はこれには限られず、各プローブ部に入力される駆動信号は、一定の位相差を有していても良い。図４（Ｃ）には、プローブ部１４₁の駆動信号と、プローブ部１４₂の駆動信号との間に、位相差Δθが生じている場合のタイムチャートが示されている。この場合には、タイミングが早いプローブ部１４₁の出力をΔθだけ遅延させるようにすれば、プローブ部１４₁において検出されたディスク１０の回転量の検出タイミングと、プローブ部１４₂において検出されたディスク１０の回転量の検出タイミングとを一致させることができる。

なお、本実施形態では、検出装置１６₁、１６₂において、プローブ部１４₁、１４₂のビームプローブを発振させる信号を用いて、ディスク１０の回転情報を検出したが、本発明はこれには限られない。例えば、対物レンズ７の変位を検出するセンサを設け、そのセンサの検出信号を、検出装置１６₁、１６₂で発生させる高調波の元周波とすることが可能である。ただし、この場合には、ＰＬＬ回路などを用いて、発振回路１２から発せられる駆動信号を用いて、センサの出力信号の位相をロックするのが望ましい。

また、本実施形態では、対物レンズ７を振動させて、ビームプローブを発振させたが、本発明はこれには限られず、レーザビームの光路中にミラーや、プリズム又は平行平板を置き、そのミラーを振動させることにより、ビームプローブを発振させるようにしてもよい。また、レーザビームの光路中に回折格子を置き、その回折格子を振動させるようにしてもよい。また、レーザダイオード３から出力されたレーザビームの光路上に、回折角変更の要因となるアコースティック光学デバイスＡ／Ｏ又は屈折率変更の要因となる電子工学デバイスＥ／Ｏ等の光学デバイスを挿入し、挿入した光学デバイスに正弦波制御信号を加え、回折角や屈折率を正弦波状に変動させてグレーティング１上のビームプローブを発振させるようにしてもよい。

≪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に基づいて説明する。図５には、本発明の第２の実施形態に係るロータリーエンコーダ１０１の概略的な構成が示されている。図５に示されるように、ロータリーエンコーダ１０１は、回転可能なディスク１０と、レーザダイオード３３と、アクチュエータ４０と、変調ミラー４１と、ビームスプリッタ４２と、コリメータレンズ３４と、ビームスプリッタ３６₁、３６₂と、ミラー４３₁、４３₂と、対物レンズ３７₁、３７₂と、焦点レンズ３８₁、３８₂と、光センサ３９₁、３９₂とを備えている。なお、ロータリーエンコーダ１０１においては、発振回路１２、検出装置１６₁、１６₂、処理装置１８を備えている点は、上記第１の実施形態に係るロータリーエンコーダ１００の構成と同じであるので、それらの構成及び動作の詳細な説明は省略するとともに、図１ではそれらの図示を省略している。

レーザダイオード３３としては、上記第１の実施形態におけるレーザダイオード３と同一のものを使用することができる。レーザダイオード３３から発せられたレーザビームは、変調ミラー４０で反射され、コリメータレンズ３４でコリメートされた後、ビームスプリッタ４２で２つに分岐される。

ビームスプリッタ４２を通過した照明光は、ビームスプリッタ３６₁を通過し、ミラー４３₁で反射され、対物レンズ３７₁を経て、ディスク１０上のグレーティング１上に入射する。グレーティング１上で反射したレーザビームは、対物レンズ３７₁を通過し、ミラー４３₁で反射されて、ビームスプリッタ３６₁で反射され、焦点レンズ３８₁を経由して、光センサ３９₁で受光される。受光の結果光センサ３９₁から出力される信号は、上記第１の実施形態と同様に、検出装置１６₁に送られる。

一方、ビームスプリッタ４２で反射した照明光は、ビームスプリッタ３６₂を通過し、ミラー４３₂で反射され、対物レンズ３７₂を経て、ディスク１０上のグレーティング１上に入射する。グレーティング１上で反射したレーザビームは、対物レンズ３７₂を通過し、ミラー４３₂で反射された後、ビームスプリッタ３６₂で反射され、焦点レンズ３８₂を経由して、光センサ３９₂で受光される。受光の結果光センサ３９₂から出力された信号は、光センサ３９₁から出力された信号と同様に、検出装置１６₂に送られる。

アクチュエータ４０は、ピエゾ素子や磁歪素子などから構成された、一方向に振動可能なアクチュエータであり、発振回路１２からの駆動信号に従って振動する。変調ミラー４１は、アクチュエータ４０に取り付けられており、アクチュエータ４０の振動により一方向に振動するようになる。この振動により、結果的に、対物レンズ３７₁。３７₂を通過したビームは、それぞれディスク１０の回転方向に振動するようになる。それぞれのビームの振動中心の位置は、ディスク１０の回転方向に１８０°ずれている。このときの振動の角周波数をωとすると、プローブ部１４₁、１４₂から出力される信号は、ディスク１０上のグレーティング１の空間角周波数ω’の信号成分と、ビームプローブの振動角周波数ωの信号成分とを含んだ信号となっている。言い換えると、この出力信号は、ディスク１０上のグレーティング１の空間角周波数ω’の信号が、ビームプローブの振動角周波数ωの信号で変調された変調信号となっている。

すなわち、この場合、２つのビームプローブの振動周波数及び位相は、同一となる。したがって、光センサ３９₁、３９₂から出力される信号は、同一の周期信号により変調された信号となっている。そこで、ロータリーエンコーダ１０１では、上記第１の実施形態に係るロータリーエンコーダ１００と同様に、検出装置１６₁、１６₂において、その同一の周期信号を用いて、同一のサンプル周期で、ディスク１０の回転量を検出することができるようになり、その検出タイミングを完全に同期させることができるようになる。

検出装置１６₁において検出されたディスク１０の回転量と、検出装置１６₂において検出されたディスク１０の回転量とは、処理装置１８に送られ、処理装置１８では、これらの回転量の平均を、そのままディスク１０の回転量として算出し、その回転量に基づいて、回転体の回転情報を出力するのは、上記第１の実施形態と同様である。

以上詳細に説明したように、本実施形態によれば、レーザダイオード３３から射出された光を振動させる変調ミラー４１及びアクチュエータ４０と、変調ミラー４１を介した光を対物レンズ３７₁、３７₂に供給するビームスプリッタ４２とを備えている。そして、対物レンズ３７₁は、ビームスプリッタ４２から供給されるビームの振動方向を、スケールディスク１の回転方向とした状態で、その光をディスク１０のグレーティング１上に照射し、対物レンズ３７₂は、ビームスプリッタ４２から供給される光の振動方向を、ディスク１０の回転方向とした状態で、その光をディスク１０のグレーティング１上に照射する。このようにすれば、検出装置１６₁と検出装置１６₂とでは、光センサ３９₁から出力される信号と、光センサ３９₂から出力される信号との検出タイミングを完全に同期させることができるので、同じタイミングで検出された、ディスク１０の回転量に基づいて、回転体の回転量を高精度に検出することができるようになる。

なお、本実施形態では、レーザダイオード３３から発せられたレーザを、一方向に振動する変調ミラー４１で反射させることによって発振させたが、本発明は、これには限られない。例えば、変調ミラー４１は回転振動するようになっていてもよい。また、プリズムや平行平板を用いて発振させるようにしてもよい。また、ビームスプリッタ４２の代わりに、回折格子を用いても良い。この場合には、例えば＋１次回折光をビームスプリッタ３６₁に入射させ、−１次回折光を、ビームスプリッタ３６₂に入射させるようになる。

なお、図５の紙面内に図示されたロータリーエンコーダ１０１の各種光学系は、実際には、これらの光学系は、２つのビームの発振方向が、ディスク１０の回転方向となるように、３次元的に配置されているのは勿論である。また、本発明は、図５に示される構成には限られず、複数（３つ以上）のビームプローブが、同一の振動素子によって発振されたものであれば適宜変更が可能である。

≪第３の実施形態≫
次に、本発明の第３の実施形態について、図６に基づいて説明する。図６には、本発明の第３の実施形態に係るロータリーエンコーダ１０２の概略的な構成が示されている。図６に示されるように、ロータリーエンコーダ１０２は、回転可能なディスク１０と、レーザダイオード５３₁、５３₂と、コリメータレンズ５４₁、５４₂と、ビームスプリッタ５６₁、５６₂と、アクチュエータ６０₁、６０₂と、変調ミラー６１₁、６１₂と、対物レンズ５７₁、５７₂と、ビームスプリッタ６２と、焦点レンズ５８と、光センサ５９と、検出回路１６₁、１６₂とを備えている。レーザダイオード５３₁、コリメータレンズ５４₁と、ビームスプリッタ５６₁と、アクチュエータ６０₁と、変調ミラー６１₁と、対物レンズ５７₁とでヘッド６５₁が構成され、レーザダイオード５３₂と、コリメータレンズ５４₂と、ビームスプリッタ５６₂と、アクチュエータ６０₂と、変調ミラー６１₂と、対物レンズ５７₂とでヘッド６５₂が構成されている。

レーザダイオード５３₁としては、上記第２の実施形態におけるレーザダイオード３３と同一のものを使用することができる。レーザダイオード５３₁から発せられたレーザビームＬ１は、コリメータレンズ５４₁でコリメートされた後、ビームスプリッタ５６₁で反射される。ビームスプリッタ５６₁で反射されたビームＬ１は、変調ミラー６１₁でさらに反射され、対物レンズ５７₁を経て、ディスク１０上のグレーティング１上に入射する。グレーティング１上で反射したレーザビームＬ１は、対物レンズ５７₁を通過して、変調ミラー６１₁で反射された後、ビームスプリッタ５６₁を通過し、ビームスプリッタ６２をさらに通過し、焦点レンズ５８を経由して、光センサ５９で受光される。

一方、レーザダイオード５３₂についても、上記第２の実施形態におけるレーザダイオード３３と同一のものを使用することができる。レーザダイオード５３₂から発せられたレーザビームＬ２は、コリメータレンズ５４₂でコリメートされた後、ビームスプリッタ５６₂で反射される。ビームスプリッタ５６₂で反射されたビームＬ２は、さらに変調ミラー６１₂で反射され、対物レンズ５７₂を経て、ディスク１０上のグレーティング１上に入射する。グレーティング１上で反射したレーザビームＬ２は、対物レンズ５７₂を通過して、変調ミラー６１₂で反射した後、ビームスプリッタ５６₂を通過し、ビームスプリッタ６２で反射され、焦点レンズ５８を経由して、光センサ５９で受光される。

変調ミラー６１₁は、アクチュエータ６０₁に取り付けられており、アクチュエータ６０₁は、不図示の発振回路からの周期信号（変調周波数ｆ₁）にしたがって振動している。このアクチュエータ６０₁の駆動により、変調ミラー６１₁は、一方向に振動するようになる。この振動により、対物レンズ５７₁を通過したビームＬ１は、ディスク１０の回転方向に振動するようになる。このときの振動の角周波数をω１（＝２πｆ₁）とすると、出力される信号は、ディスク１０上のグレーティング１の空間角周波数ω’の信号成分と、ビームプローブの振動角周波数ω１の信号成分とを含んだ信号となっている。言い換えると、この出力信号は、ディスク１０のグレーティング１の空間角周波数ω’の信号が、ビームプローブの振動角周波数ω１の信号で変調された変調信号となっている。

一方、変調ミラー６１₂は、アクチュエータ６０₂に取り付けられており、アクチュエータ６０₂は、不図示の発振回路からの周期信号（変調周波数ｆ₂）にしたがって振動している。アクチュエータ６０₂の駆動により、変調ミラー６１₂は、一方向に振動するようになる。この振動により、対物レンズ５７₂を通過したビームＬ２は、結果的に、ディスク１０の回転方向に振動するようになる。このときの振動の角周波数をω２（＝２πｆ₂）とすると、出力される信号は、ディスク１０のグレーティング１の空間角周波数ω’の信号成分と、ビームプローブの振動角周波数ω２の信号成分とを含んだ信号となっている。言い換えると、この出力信号は、ディスク１０上のグレーティング１の空間角周波数ω’の信号が、ビームプローブの振動角周波数ω２の信号で変調された変調信号となっている。

ただし、本実施形態では、ω１≠ω２（ｆ₁≠ｆ₂）としており、２つのビームプローブの発振周波数は異なるように設定されている。さらに望ましくは、ω１とω２との比が整数比とならないように設定されている。これは、後述する検出装置１６₁における振動周波数ｆ₁での同期検波、検出装置１６₂における振動周波数ｆ₂での同期検波を、正確に行うための措置である。

光センサ５９から出力された信号は、検出装置１６₁、１６₂に送られる。検出装置１６₁は、同期検波により、この信号から変調周波数ｆ₁の成分に相当する信号（空間角周波数成分ω’）を分離抽出してヘッド６５₁の検出信号として出力する。また、検出装置１６₂は、同期検波により、この信号から変調周波数ｆ₂の成分に相当する信号（空間角周波数成分ω’）を分離抽出し、ヘッド６５₂の検出信号として出力する。２つの検出信号は、適当に増幅される。そして、上記第１、第２の実施形態と同様に、これらの２つの検出信号から、ディスク１０の回転量が検出される。すなわち、処理装置１８は、上記第１、第２の実施形態と同様に、それぞれのヘッド６５₁、６５₂の出力信号の平均をディスク１０の回転量とする。この出力が、ロータリーエンコーダ１０２の出力となる。

このように、本実施形態に係るエンコーダ１０２では、それぞれ変調周波数が異なる２つのビームプローブのディスク１０のグレーティング１からの反射光の進行方向を、ビームスプリッタ６２で重ね合わせ、同一の光センサ５９で受光した後、それぞれの変調周波数ｆ₁、ｆ₂の信号を用いて同期検波して、それぞれの信号を抽出し、それぞれの回転量を取得する。したがって、上記第２の実施形態のように、２つのビームプローブによる信号を検出するのに、光センサや検出装置を２つ備える必要がなくなる。この結果、装置全体を小型化、軽量化することができるとともに、その製造コストを引き下げることができる。

以上詳細に述べたように、本実施形態によれば、変調ミラー６１₁において周波数ｆ₁の信号で変調されたビームＬ１と、変調ミラー６１₂において、周波数ｆ₂の信号で変調されたビームＬ２とを、同一の光センサ５９で受光し、光センサ５９からの信号を、同一の検出装置１６₁、１６₂で、周波数ｆ₁の信号及び周波数ｆ₂の信号を用いてそれぞれ同期検波するので、回転体の回転量を２つの異なる位置で検出するのに、光センサや検出装置を２つ備える必要がなくなる。

なお、本実施形態においても、レーザダイオード５３₁、５３₂から発せられたレーザを、一方向に振動する変調ミラー６１₁、６１₂に反射させることによって発振させたが、本発明はこれには限られない。例えば、変調ミラー６１₁、６１₂は回転振動するようになっていてもよい。また、プリズムや平行平板などを用いて発振させるようにしてもよい。

また、図６の紙面内に図示されたロータリーエンコーダ１０２の各種光学系は、実際には、これらの光学系は、２つのビームの発振方向が、ディスク１０の回転方向となるように３次元的に配置される。また、本発明は、図６に示される構成には限られず、異なる周波数で発振された複数（３つ以上）のビームの反射光が重ね合わされて、同一の光センサによって検出されるような構成であれば適宜変更が可能である。

なお、上記各実施形態では、ディスク１０に照射するビームプローブの数を２つとしたが、これには限られず、３つ以上であってもよい。この場合には、ディスク１０の回転方向に沿って、一定の間隔で設けるようにすればよい。例えば、ビームプローブの数を３つとする場合には１２０°間隔で配置すればよいし、４つとする場合には９０°間隔で配置すればよい。ただし、このような均等配置を必ずしも行う必要はない。

なお、上記各実施形態では、ディスク１０の偏心を補正しつつ、回転体の回転情報を検出するロータリーエンコーダについて説明したが、上記各実施形態のような検出点を複数個備えるロータリーエンコーダでは、ディスク１０の偏心補正に限らず、例えばディスク１０の変形に対する補正を行うことも可能である。

例えば、ディスク１０が変形して、回転軸２０の方向に起伏が生じその平面度が低下している場合には、その起伏に応じてグレーティング１上のパターンの粗密が観測されるようになり、それが検出誤差となって表れる可能性もある。このような検出誤差を生じさせないようにするためには、上記各実施形態のロータリーエンコーダのように、複数の検出点をディスク１０上に有し、それらの検出点での検出結果を総合的に判断して、回転体の回転量を検出するようにすれば、その検出誤差を低減することができる。

例えば、ディスク１０の起伏が無視できない４次成分を含んでいれば、ディスク１０上の検出点を４つ以上として、それら４つの検出点における回転量の平均値を算出するようにすればよい。

なお、上記第３の実施形態においては、検出点を３つ以上とする場合には、それぞれの検出点において変調周波数を異なるものにする必要があるのは勿論である。

また、上記各実施形態では、ディスク１０上のグレーティング１を反射型の回折格子としたが、これには限られず、透過型の回折格子としてもよい。この場合には、光センサ等の配置関係が適宜設計変更される。また、ディスク１０のグレーティング１は、正弦波状でなくてもよい。要は、ディスク１０は、その回転方向に配列されたパターンを有していればよい。

また、上記各実施形態では、ビームプローブを発振させるアクチュエータを、電歪素子や磁歪素子などとしたが、本発明は、アクチュエータの種類には限定されない。例えば、アクチュエータとしてボイスコイルモータを用いても良い。このアクチュエータは、変調に必要な周波数に応じて決定されるようになる。

また、上記各実施形態では、光ビーム（ビームプローブ）を発振させたロータリーエンコーダについて説明したが、本発明はこれに限らず、原子間力、トンネル電流、近接場光等の探針を用いたスキャン方式を採用したロータリーエンコーダにも用いることができるのは勿論である。これらの方式については、すでに、特表２０００−５１１６３４号公報、米国特許第６，６３９，６８６号明細書などに開示されているので、詳細な説明を省略する。

以上説明したように、本発明のロータリーエンコーダは、回転体の回転情報の検出に適している。

本発明の第１の実施形態に係るロータリーエンコーダの概略的な構成を示す図である。 プローブ部の構成の一例を示すブロック図である。 検出装置の一般的な構成を示すブロック図である。 図４（Ａ）は、検出装置の演算周期と、ビームプローブの発振周期との関係を示すタイミングチャートであり、図４（Ｂ）は、２つのビームプローブの発振周期が整数倍の関係にある場合の検出装置の演算周期と、ビームプローブの発振周期との関係を示すタイミングチャートであり、図４（Ｃ）は、２つのビームプローブの振動に位相差があるときの検出装置の演算周期と、ビームプローブの発振周期との関係を示すタイミングチャートである。 本発明の第２の実施形態に係るロータリーエンコーダの概略的な構成を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係るロータリ−エンコーダの概略的な構成を示す図である。

符号の説明

１…グレーティング、３…レーザダイオード、４…コリメータレンズ、６…ビームスプリッタ、７…対物レンズ、８…焦点レンズ、９…光センサ、１０…スケールディスク、１１…駆動装置、１２…発振回路、１４₁、１４₂…プローブ部、１６、１６₁、１６₂…検出装置、１８…処理装置、２０…回転軸、３３…レーザダイオード、３４…コリメータレンズ、３６₁、３６₂…ビームスプリッタ、３７₁、３７₂…対物レンズ、３８₁、３８₂…焦点レンズ、３９₁、３９₂…光センサ、４０…アクチュエータ、４１…振動ミラー、４２…ビームスプリッタ、５３₁、５３₂…レーザダイオード、５４₁、５４₂…コリメータレンズ、５６₁、５６₂…ビームスプリッタ、５７₁、５７₂…対物レンズ、５８…焦点レンズ、５９…光センサ、６０₁、６０₂…アクチュエータ、６１₁、６１₂…変調ミラー、６２…ビームスプリッタ、６５₁、６５₂…ヘッド、９１…フィルタ、９２…周波数シンセサイザ、９３₁、９３₂…乗算部、９４…位相検出部、９５…振幅検出部、９６…距離同定部、１００、１０１、１０２…ロータリーエンコーダ、Ｌ１、Ｌ２…ビーム。

Claims (7)

1. 回転体の回転情報を検出するロータリーエンコーダであって、
   前記回転体上にその回転方向に配列されたパターンを有するスケールと；
   前記スケールに前記回転方向に第１の周期信号で振動させた光を照射して前記パターンを検出することで、前記第１の周期信号で変調された信号を出力する第１のプローブと；
   前記スケールに前記回転方向に第２の周期信号で振動させた光を前記回転方向に関して前記第１のプローブとは異なる位置で照射して前記パターンを検出することで、前記第２の周期信号で変調された信号を出力する第２のプローブと；
   前記第１のプローブ及び前記第２のプローブからの信号を、前記第１の周期信号の周期及び前記第２の周期信号の周期の少なくとも一方との比が２以上の整数比となるように設定された所定のサンプリング周期で同期検波する検波装置と；
   前記第１の周期信号と、前記第２の周期信号とを同期させる同期装置と；を備え、前記検波装置からの検波情報から前記回転体の回転情報を検出するロータリーエンコーダ。
2. 前記同期装置は、
   前記第１の周期信号の周波数と前記第２の周期信号の周波数との比を整数比とすることを特徴とする請求項１に記載のロータリーエンコーダ。
3. 前記同期装置は、
   前記第１の周期信号の周波数と前記第２の周期信号の周波数とを同一とし、位相差を０に保つことを特徴とする請求項２に記載のロータリーエンコーダ。
4. 前記第１のプローブ及び前記第２のプローブは、前記スケールに照射する光を前記回転方向に振動させる振動素子をそれぞれ有しており、
   前記同期装置は、前記第１のプローブの振動素子を振動させるための駆動信号と、前記第２のプローブの振動素子を振動させるための駆動信号とを、同期させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のロータリーエンコーダ。
5. 光源から射出された光を振動する振動素子と；
   前記振動素子を介した光を前記第１のプローブ及び前記第２のプローブに供給する供給系と；をさらに備え、
   前記第１のプローブは、前記供給系から供給される光の振動方向を、前記回転方向とした状態で、その光を前記スケールに照射し、
   前記第２のプローブは、前記供給系から供給される光の振動方向を、前記回転方向とした状態で、その光を前記スケールに照射することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のロータリーエンコーダ。
6. 前記第１の周期信号と、前記第２の周期信号とは、同一のクロック信号に基づいて生成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のロータリーエンコーダ。
7. 回転体の回転情報を検出するロータリーエンコーダであって、
   前記回転体上にその回転方向に配列されたパターンを有するスケールと；
   第１の光を、第１の周期信号に従って前記回転方向に振動させた状態で前記スケールに照射する第１のプローブと；
   前記第１の周期信号とは周波数が異なる第２の周期信号に従って第２の光を前記回転方向に振動させた状態で、前記スケール上の前記第１の光の照射位置とは異なる位置に照射する第２のプローブと；
   前記スケールからの前記第１の光及び前記第２の光を受光し、その受光結果に応じた信号を出力する受光装置と；
   該受光装置からの出力信号を、前記第１の周期信号の周期及び前記第２の周期信号の周期の少なくとも一方との比が２以上の整数比となるように設定された所定のサンプリング周期で同期検波する検波装置と；を備え、前記検波装置からの検波情報から前記回転体の回転情報を検出するロータリーエンコーダ。

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