JP5500075B2 - エンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、主に、エンコーダにかかり、さらに詳しくは、移動体の位置情報を光学的に検出するエンコーダに関する。
本願は、２００８年１０月２３日に出願された特願２００８−２７３１６６号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

近年、スキャン式のエンコーダとして、移動体とともに移動し、かつ移動方向に沿って周期的に形成された格子を有するスケールに、所定の変調信号に基づいて変調された照射光を照射して、その反射光または透過光と、変調信号とを比較することで、スケールの位置情報を検出するエンコーダが提案されている（特許文献１）。
また、スキャン式のエンコーダ一として、光源からのレーザ光を、第１の回折格子で±１次光に分離し、第２の回折格子で分離された±１次光の向きを逆転させて、移動体とともに移動する第３の回折格子に干渉縞を形成する３格子光学系を用いて、干渉状態の干渉光の強度変化に基づき、移動体の移動量を検出する技術がある（特許文献２）。

米国特許第６，６３９，６８６号 特開２００７−３３３７２２号公報

これらスキャン式のエンコーダにおいては、照射光を周期的に変調する必要があり、例えば、物理的に光ビームを振動させる方法として、光源を振動させる方法、あるいは、光路に振動回転する振動ミラーを配置する方法が考えられる。
しかしながら、機械的にミラーを駆動する場合、駆動機構が複雑になるため、装置のコストの増大を招くという問題がある。また、この場合、光源を振動させる構成や、振動ミラーを配置する構成のための設置スペースを必要とするため、装置が大型化する問題がある。

また、これら機械的な光ビーム振動構成の支持方法としては、メカ的な取り付け、例えば、ねじ締結や、接着などの支持方法を採る必要がある。こうした支持方法を利用した場合、温度・湿度等の環境変化に起因して位置変動が発生し、振動中心をドリフトさせる要因となる可能性がある。このようなドリフトが発生すると、測定原理上、検出位置がドリフトし、高分解能センサとしては非常に大きな誤差が生じる可能性がある。

本発明の態様は、その目的は、物理的な光の変調手段を除去し、移動体の変位検出の誤差を低減できるエンコーダを提供することにある。

本発明の一態様は、波長が周期的に変化する光を平行に出射する光源部と、光源部から出射された光を受光し、第１の光および第２の光を出射する第１の光学部材と、前記第１の光学部材により出射された前記第１の光および前記第２の光が重なるように、前記第１の光または前記第２の光の進行方向を変える第２の光学部材と、前記第１の光および前記第２の光が重なる位置に配置され、前記光源部、前記第１の光学部材および前記第２の光学部材に対して相対的に変位し、変位による移動方向に沿って周期的に形成された回折格子を有する回折格子部材と、前記回折格子部材から出射される前記第１の光および前記第２の光の干渉光を受光し、この干渉光の干渉強度を検出する第１の受光部とを備え、前記第１の光の前記光源部から前記回折格子部材における第１の光路の光路長と、前記第２の光の前記光源部から前記回折格子部材における第２の光路の光路長とが、異なり、前記第１の光学部材は、前記第１の光および前記第２の光を異なる位置から出射し、前記光源部と前記第１の光学部材の間の光路上に配置され、前記光源部から出射された光の進行方向を変えるとともに、異なる位置から前記第１の光と前記第２の光を出射する第３の光学部材をさらに備えることを特徴とするエンコーダを提供する。

本発明の一態様によれば、光源部から周期的に波長が変化された変調光を出射し、かつ、干渉させる２つの変調光の光路長を異ならせることにより、物理的に光の波長を変化させる構成における問題を回避することができる。例えば、光路に振動回転する振動ミラーを配置する方法のような、機械的にミラーを駆動するための複雑な駆動機構が不要となり、装置の低コスト化を実現することができる。また、振動ミラーを配置するための設置スペースが不要となり、装置の小型化を実現することができる。さらに、機械的な光ビームを振動させる構成が不要となるため、従来問題であった、メカ的な取り付けを利用した場合における、温度・湿度等の環境変化に起因した振動中心のドリフト発生による、移動量検出の際の誤差発生を低減することができる。

第１の実施形態を示す概略図である。 第２の実施形態を示す概略斜視図である。 第２の実施形態を示す概略図である。 第３の実施形態を示す概略図である。 第４の実施形態を示す概略図である。 第５の実施形態を示す概略図である。 第６の実施形態を示す概略図である。 第７の実施形態を示す概略図である。

［第１の実施形態］
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施の形態にかかるエンコーダ１の構成を示す概略図である。本実施形態において、エンコーダ１は、いわゆる回折干渉方式のエンコーダであり、所定方向（Ｘ軸方向）に移動する移動体（移動格子）の移動方向、移動量、あるいは変位を検出する光学式エンコーダである。
図１に示すとおり、本実施の形態において、エンコーダ１は、光源部１１、インデックス格子１２、一対のミラー１３ａ、１３ｂ、受光素子１５、ガラスブロック１６と、これら構成部材に対して相対的に変位可能に設けられている移動格子１４を有する。

光源部１１は、変調部１１ａ、光源１１ｂ、コリメータレンズ１１ｃを含む。
変調部（変調装置）１１ａは、例えば、光源１１ｂに供給される電流を変化させることによって、光源１１ｂから出射される光の波長を周期的に変化させる。変調部１１ａは、例えば、光源１１ｂから出射される光の波長λ＝８５０ｎｍを、Δλ＝±５ｎｍ分だけ変化させることができる。つまり、変調部１１ａは、光源１１ｂから出射される光の波長をλ＝８４５〜８５５ｎｍの範囲で変化させることができる。
光源１１ｂは、例えばレーザ光を出射するレーザ素子であって、変調部１１ａにより変調されたコヒーレントな光を−Ｙ軸方向に向けて出射する。
コリメータレンズ１１ｃは、光源１１ｂから出射された光を受光し、平行光に変換する。

インデックス格子（第１の光学部材）１２は、光源部１１から出射された光を受光し、異なる位置から第１の光Ｌ１および第２の光Ｌ２を出射する。例えば、インデックス格子１２は、所定のピッチで格子状のパターンが形成された回折格子であって、Ｘ軸方向に沿って周期的に形成された回折パターンを有する透過型の回折格子である。インデックス格子１２は、コリメータレンズ１１ｃを透過した平行光を受光し、複数の回折光を出射する。
インデックス格子１２によって回折された回折光のうち、コリメータレンズ１１ｃからインデックス格子１２にそのまま入射し、インデックス格子１２から出射した光を第１の光Ｌ１とし、ガラスブロック１６を透過後、インデックス格子１２から出射した光を第２の光Ｌ２とする。ここで、第１の光Ｌ１は、インデックス格子１２から所定の回折角で−Ｘ軸方向側に回折された−１次回折光であって、第２の光Ｌ２は、インデックス格子１２から所定の回折角で＋Ｘ軸方向側に回折された＋１次回折光である。

ミラー１３ａ、１３ｂは、インデックス格子１２から出射された第１の光Ｌ１と第２の光Ｌ２が、移動格子１４において重なるように、第１の光Ｌ１と第２の光Ｌ２の進行方向を変える光学部材（第２の光学部材）である。図に示す通り、ミラー１３ａ、１３ｂは、インデックス格子１２と移動格子１４との間に配置され、それぞれの反射面が、インデックス格子１２と移動格子１４の面方向（入射面方向又はＸ−Ｚ軸方向）と直交する方向（Ｙ−Ｚ軸方向）に、向かい合って配置されている。ミラー１３ａは、インデックス格子１２から出射された第１の光Ｌ１を、ミラー１３ｂは、第２の光Ｌ２を、移動格子１４に向けて、それぞれ反射させる。代替的に、エンコーダ１は、ミラー１３ａ、１３ｂのうち少なくとも一方に代えて、インデックス格子１２から出射された第１の光Ｌ１と第２の光Ｌ２が、移動格子１４において重なるように、第１の光Ｌ１と第２の光Ｌ２の進行方向を変える透過型の回折格子を利用することもできる。

移動格子１４は、第１の光Ｌ１と第２の光Ｌ２が重なる位置に配置され、光源部１１、インデックス格子１２、ミラー１３ａ、１３ｂ、受光素子１５およびガラスブロック１６に対して相対的に変位する移動体に設けられた回折格子である。移動格子１４は、この変位による移動方向（Ｘ軸方向）に沿って周期的に形成された回折パターンが形成された回折格子である。移動格子１４に入射した第１の光Ｌ１および第２の光Ｌ２は、一部が重なり合い、干渉する。
移動格子１４は、例えば、透過型の回折格子であって、第１の光Ｌ１および第２の光Ｌ２に基づく干渉光を回折し、同一方向（−Ｙ軸方向）、すなわち受光素子１５に向けて出射する。

このように、インデックス格子１２、ミラー１３ａ、１３ｂおよび移動格子１４は、移動格子１４に入射した第１の光Ｌ１および第２の光Ｌ２が干渉するような位置関係で配置されている。また、インデックス格子１２、ミラー１３ａ、１３ｂおよび移動格子１４は、インデックス格子１２を出射してから移動格子１４に入射するまでの、第１の光Ｌ１の光路長と第２の光Ｌ２の光路長とが等しくなる位置関係を有する。

受光素子１５は、移動格子１４から出射した干渉光を受光し、干渉光の干渉強度を示す光電変換信号を出力する。この受光素子１５において変換された光電変換信号は、図示しない移動格子１４の移動量検出装置に出力される。なお、移動格子１４は、透過型に限られず、例えば、反射型の回折格子であってもよく、この場合、受光素子１５は、反射光を受光できる位置に配置されることになる。

ガラスブロック１６は、光源部１１とインデックス格子１２との間の、第１の光Ｌ１の光路上あるいは第２の光Ｌ２の光路上のいずれか一方に配置され、コリメータレンズ１１ｃからの平行光の一部を透過する。ガラスブロック１６は、所定の屈折率Ｎ１を有し、コリメータレンズ１１ｃから出射される平行光の進行方向（Ｙ軸方向）に、所定の厚さＤを有する。
本実施の形態において、ガラスブロック１６は、第２の光Ｌ２の光路上に配置される。これにより、ガラスブロック１６を透過する第２の光Ｌ２の光路長は、この屈折率Ｎ１および厚さＤの大きさに応じて、空気中を透過する第１の光Ｌ１の光路長に比べて長くなる。つまり、第２の光Ｌ２の光源１１ｂから移動格子１４における第２の光路の光路長は、第１の光Ｌ１の光源１１ｂから移動格子１４における第１の光路の光路長に比べて長くなる。ここで、光路長とは、空間的な距離（行路）に屈折率をかけた光学的距離である。本実施形態において、第１の光Ｌ１と第２の光Ｌ２との間で、光源部１１から移動格子１４までの光学的距離が実質的に異なる。本実施形態において、光源部１１から移動格子１４までの第１の光Ｌ１の光路における媒質が第２の光Ｌ２のそれと部分的に異なる。

このように、光源１１ｂから出射された変調光に基づく第１の光Ｌ１および第２の光Ｌ２が、移動格子１４に干渉した状態で所定の位相差を有することにより、エンコーダ１は、移動格子１４上に、移動方向（Ｘ軸方向）に周期的に変化する干渉縞を得ることができる。なお、干渉縞の周期的な変化は、変調部１１ａにより変調された波長の周期的な変化に基づくものであって、受光素子１５により得られる光電変換信号は、移動格子１４の移動情報を変調部１１ａによる波長の変調信号で変調したもので表される。したがって、受光素子１５により得られる光電変換信号は、移動格子１４の移動情報と、光源１１ｂから出射される変調光の周期的な変化の双方に基づくものであり、この光電変換信号に基づき、既知である変調部１１ａの変調情報を利用して、移動格子１４の移動情報を得ることができる。

次に、エンコーダ１による干渉光検出方法の一例について説明する。
変調部１１ａにより光の波長が変調された変調光は、光源１１ｂから−Ｙ軸方向に出射される。光源１１ｂから出射された変調光は、コリメータレンズ１１ｃを透過して平行光に変換される。コリメータレンズ１１ｃにより変換された平行光は、一部がそのままインデックス格子１２に入射し、インデックス格子１２によって第１の光Ｌ１に回折される。この第１の光Ｌ１は、インデックス格子１２から−Ｘ軸方向側に偏向して出射する。
一方、コリメータレンズ１１ｃから出射した平行光の他の一部は、ガラスブロック１６を透過し、インデックス格子１２に入射する。ガラスブロック１６を介してインデックス格子１２を透過した光は、インデックス格子１２により第２の光Ｌ２に回折される。この第２の光Ｌ２は、インデックス格子１２から＋Ｘ軸方向側に偏向して出射する。なお、第１の光Ｌおよび第２の光Ｌ２は、インデックス格子１２の異なる位置から出射している。

インデックス格子１２から出射した第１の光Ｌ１は、ミラー１３ａによって＋Ｘ軸方向側に偏向して反射され、移動格子１４に入射する。一方、インデックス格子１２から出射した第２の光Ｌ２は、ミラー１３ｂによって−Ｘ軸方向側に偏向して反射され移動格子１４に入射する。
移動格子１４に入射した第１の光Ｌ１および第２の光Ｌ２は、移動格子１４の回折パターン上において一部が重なり合っており、移動格子１４上には周期的に変化する干渉縞が形成される。

移動格子１４に入射した第１の光Ｌ１および第２の光Ｌ２は、ともに、移動格子１４により−Ｙ軸方向に回折される。移動格子１４を出射した第１の光Ｌ１および第２の光Ｌ２に基づく干渉光は、受光素子１５に入射し、干渉光の干渉強度を示す光電変換信号に変換される。

移動格子１４が移動した場合、移動格子１４に入射した第１の光Ｌ１および第２の光Ｌ２の干渉状態が変化し、受光素子１５に入射する光の光量が正弦波状に変化する。所定の移動量検出装置において、正弦波状に変化する受光素子１５の受光光量の変化回数が計数され、移動格子１４の移動方向、移動量、あるいは変位が検出される。このような移動量検出装置による移動量検出方法は、一般のエンコーダの原理と同様であり、例えば、背景技術として上述した特許文献１の信号処理方法を利用することができる。

上述の構成において、移動格子１４を出射した干渉光は、位相差に応じた干渉縞の周期的な変化情報に加え、移動格子１４の回折パターンに応じた移動格子１４の変位情報を含んでいる。よって、受光素子１５により得られる干渉光の干渉強度は、（１）変調部１１ａによって与えられた変調および第１の光Ｌ１，第２の光Ｌ２の光路差に基づく第１の光Ｌ１と第２の光Ｌ２との位相差、および（２）移動格子１４の移動方向、移動量、あるいは変位に応じて変化する。
つまり、（１）第１の光Ｌ１と第２の光Ｌ２との位相差を調整することにより、検出される（２）移動格子１４の移動情報の精度を高めることができる。なお、ここで検出される移動情報の精度を高めるために設定される位相差は、装置の構造や分解能等が考慮される。

ここで、第１の光Ｌ１と第２の光Ｌ２との位相差は、変調部１１ａにより光の波長がλ_１からλ_２まで変調された場合、Δｋ＝２π（１／λ_１−１／λ_２）とすると、位相差＝ΔＬ・Δｋで表される。また、第１の光Ｌ１と第２の光Ｌ２との光路差は、周囲と屈折率の異なるガラスブロック１６が、いずれか一方の光路上に配置されることで、ガラスブロック１６と周囲の屈折率の差によって発生するものであり、周囲の屈折率をｎ１とすると、ガラスブロック１６内を透過する光の実際の距離（行路長）は厚さ＝Ｄであって、光路差ΔＬ＝（Ｄ・Ｎ１）−（Ｄ・ｎ１）と表される。

また、エンコーダ１は、光源部１１から出射される変調光の波長可変範囲が小さい場合であっても、この波長可変範囲に比べて光路差ΔＬを十分大きくすれば、移動格子１４上に形成される干渉縞に、光源部１１から出射される変調光の周期的な変化に応じた変化を与えることができる。例えば、光源１１ｂとして面発光レーザダイオードを用いた場合、光源部１１から出射される変調光の中心波長を８５０ｎｍとし、この面発光レーザダイオードに供給される駆動電流を２±０．５ｍＡの範囲で変化させると、光源部１１から出射される光の波長は、８５０±１ｎｍの範囲（波長可変範囲）で変化する。このとき、光路差ΔＬが１ｍｍとなるガラスブロック１６が利用された場合、光路差ΔＬが波長可変範囲に比べて十分大きいため、移動格子１４上に形成される干渉縞は周期的に変化し、受光素子１５は、位相差＝±１．３５×２πの変調が与えられた光電変換信号を得ることができる。

よって、エンコーダ１は、光源部１１から波長が周期的に変化された変調光を出射し、かつ、干渉させる２つの変調光の光路長を異ならせることにより、物理的に光に変調を与える構成における問題を回避することができる。例えば、光路に振動回転する振動ミラーを配置する方法のような、機械的にミラーを駆動するための複雑な駆動機構が不要となり、装置の低コスト化を実現することができる。また、振動ミラーを配置するための設置スペースが不要となり、装置の小型化を実現することができる。さらに、機械的な光ビームを振動させる構成が不要となるため、従来問題であった、メカ的な取り付けを利用した場合における、温度・湿度等の環境変化に起因した振動中心のドリフト発生による、移動量検出の際の誤差発生を低減することができる。

なお、光源１１ｂから出射される変調光の波長がΔλ＝λ_０＋ｓｉｎωｔと変調された場合、Δｋ＝Ａ_０ｓｉｎωｔとすると、位相差ΔＬ・Δｋ＝ΔＬ・Ａ_０ｓｉｎωｔとなる。よって、受光素子１５により得られる干渉光の干渉強度は、｜Ｅ｜^２＝Ａ＋２ｃｏｓ（４πＸ／Ｐ＋ΔＬ・Ａ_０ｓｉｎωｔ）と表される。ここで、「Ｘ」は、インデックス格子１２と移動格子１４の相対位置、「Ｐ」は、移動格子１４の回折パターンのピッチ、「Ａ」は、干渉強度振幅のオフセット量を表す。この干渉光の干渉強度は、エンコーダ１の信号処理、例えば、背景技術として上述した特許文献１の信号処理に利用することができる。

また、光源１１ｂから出射される変調光の変調方法は、上述の変調部１１ａによる電流変化によるものとして、例えば、光通信などの目的で利用されているさまざまな可変波長レーザを利用することができる。また、光源１１ｂから出射される変調光の変調方法は、電流変化に基づくものに限られず、例えば、光源１１ｂとして利用されるレーザ素子の温度を変化させることにより、波長を周期的に変化させる装置を利用することができる。

さらに、エンコーダ１は、光源部１１、インデックス格子１２、一対のミラー１３ａ、１３ｂ、受光素子１５、ガラスブロック１６が、所定の位置関係で固定されている一体的な構成部材であって、移動格子１４に対して、相対的に移動可能な状態で設置されている。すなわち、エンコーダ１は、一体的な構成部材が固定され、形成移動格子１４が移動可能に設けられている構成であってもよく、移動格子１４が固定され、一体的な構成部材が移動可能に設けられている構成であってもよい。

また、ガラスブロック１６は、光を透過し、周囲と異なる所定の屈折率Ｎ１を有する媒質であればよく、ガラスからなる構成に限られない。

［第２の実施形態］
次に、図２，３を参照して、本発明のエンコーダにかかる他の実施の形態について説明する。図２は、第２の実施形態にかかるエンコーダ２の概略斜視図であり、図３は、第２の実施形態にかかるエンコーダ２の概略図である。なお、第１の実施形態と同じ機能・構成を有する構成部材については、同一の符号を付すことにより、詳細な説明は省略する。
図２に示すとおり、エンコーダ２は、光源部２０、インデックス格子１２、一対のミラー１３ａ、１３ｂ、移動格子１４、受光素子１５を含む。

光源部２０は、光源部１１と同様に、変調部１１ａ、光源１１ｂ、コリメータレンズ１１ｃを含み、変調部１１ａにより変調されたコヒーレントな変調光を、平行に出射する。光源部２０は、出射する変調光が、インデックス格子１２の面方向（入射面方向又はＸ−Ｚ面方向）に対して斜めに交わる方向で、インデックス格子１２に入射される位置に、設置されている。本実施の形態にかかるエンコーダ２の光源部２０は、図３に示すとおり、光源部２０から出射された変調光が、−Ｘ軸側から斜めにインデックス格子１２に入射する位置に設置されている。
インデックス格子１２は、第１の実施形態と同様、光源部２０から受光した光に基づく第１の光Ｌ１および第２の光Ｌ２を、異なる位置から出射する。

この構成により、第２の光Ｌ２の光源部２０からインデックス格子１２における光路長は、第１の光Ｌ１の光源部２０からインデックス格子１２における光路長より、ΔＬだけ長くなる。
よって、上述の実施形態にと同様に、エンコーダ２は、受光素子１５により得られる干渉光の干渉強度を、（１）変調部１０ａによって与えられた変調および第１の光Ｌ１，第２の光Ｌ２の光路差に基づく位相差、および（２）移動格子１４の移動方向、移動量、あるいは変位に応じて変化させることができる。

［第３の実施形態］
次に、図４を参照して、本発明の他の実施の形態について説明する。図４は、第３の実施形態にかかるエンコーダ３の概略図である。なお、第１の実施形態と同じ機能・構成を有する構成部材については、同一の符号を付すことにより、詳細な説明は省略する。
図４に示すとおり、エンコーダ３は、光源部３０、インデックス格子１２、一対のミラー３１ａ、３１ｂ、移動格子１４、受光素子１５を含む。

光源部３０は、変調部１１ａと光源１１ｂを含み、変調部１１ａにより変調されたコヒーレントな変調光を出射する。
ミラー３１ａ、３１ｂは、インデックス格子１２と移動格子１４との間に配置され、ミラー３１ａは、反射面がインデックス格子１２と移動格子１４の面方向（入射面方向又はＸ−Ｚ面方向）と直交する方向（Ｙ−Ｚ面方向）に配置されている。一方、ミラー３１ｂは、反射面がインデックス格子１２と移動格子１４の面方向（入射面方向又はＸ−Ｚ面方向）と斜めに交わる方向に位置されている。ミラー３１ｂは、例えば、図４に示すように、破線で示すミラー３１´ｂの面方向（入射面方向）、すなわち、インデックス格子１２と移動格子１４の面方向（入射面方向）と直交する面方向から、−Ｘ軸方向に角度θ傾いている反射面を有する。
なお、ミラー３１ａと、この破線で示すミラー３１´ｂとが配置されている状態は、上述のミラー１３ａ、１３ｂが配置されている状態を意味し、第１の光Ｌ１および第２の光Ｌ２のインデックス格子１２から移動格子１４における光路長は等しい。以下、このようにインデックス格子１２から移動格子１４までの光路長が等しくなるように配置されたインデックス格子１２、ミラー１３ａ、１３ｂおよび移動格子１４の位置関係（図１参照）を、第１の光学位置関係と呼称する。また、図４に示すとおり、インデックス格子１２から移動格子１４までの、第１の光Ｌ１の光路長と、第２の光Ｌ２の光路長が異なるように配置されたインデックス格子１２、ミラー３１ａ、３１ｂおよび移動格子１４の位置関係を、第２の光学位置関係と呼称する。

このように、一方のミラー３１ｂは、第１の光学位置関係と仮定した場合の位置（破線で示すミラー３１´ｂ）よりも、第２の光Ｌ２を反射する反射面が、−Ｘ軸方向に傾いた位置に設置されている。この構成により、インデックス格子１２を出射し、ミラー３１ａによって反射され、移動格子１４に入射するまでの第１の光Ｌ１の光路長は、インデックス格子１２を出射し、ミラー３１ｂによって反射され、移動格子１４に入射するまでの第２の光Ｌ２の光路長に比べて、長くなる。
よって、上述の実施形態と同様に、エンコーダ３は、受光素子１５により得られる干渉光の干渉強度を、（１）変調部１１ａによって与えられた変調および第１の光Ｌ１，第２の光Ｌ２の光路差に基づく位相差、および（２）移動格子１４の移動方向、移動量、あるいは変位に応じて変化させることができる。

［第４の実施形態］
次に、図５を参照して、本発明の他の実施の形態について説明する。図５は、第４の実施形態にかかるエンコーダ４の概略図である。なお、第１の実施形態と同じ機能・構成を有する構成部材については、同一の符号を付すことにより、詳細な説明は省略する。
図５に示すとおり、エンコーダ４は、光源部１１、インデックス格子１２、一対のミラー１３ａ、１３ｂ、移動格子１４、受光素子１５およびガラスブロック４０を含む。

ガラスブロック４０は、例えば、第２の光Ｌ２の光路上であって、インデックス格子１２と移動格子１４との間に配置され、例えば、ミラー１３ｂの反射面に接して、固定されている。ガラスブロック４０は、所定の屈折率Ｎ２を有し、ガラスブロック４０内を透過する光の実際の距離（行路長）Ｌｍを有する。なお、ガラスブロック４０内の行路長Ｌｍは、ガラスブロック４０に入射した光が、ミラー１３ｂにより反射され、ガラスブロック４０を出射するまでの実際の距離である。
よって、ガラスブロック４０を透過する光の光路長は、周囲（例えば空気中）を透過する光に比べて長くなる。なお、光路差ΔＬは、周囲の屈折率をｎ１とすると、光路差ΔＬ＝（Ｌｍ・Ｎ２）−（Ｌｍ・ｎ１）となる。

つまり、上述の実施形態と同様に、エンコーダ４は、受光素子１５により得られる干渉光の干渉強度を、（１）変調部１１ａによって与えられた変調および第１の光Ｌ１，第２の光Ｌ２の光路差に基づく位相差、および（２）移動格子１４の移動方向、移動量、あるいは変位に応じて変化させることができる。
ガラスブロック４０は、第１の光Ｌ１の光路上あるいは第２の光Ｌ２の光路上のいずれか一方に配置されていればよく、また、光を透過し、周囲と異なる所定の屈折率Ｎ２を有する媒質であればよく、ガラスからなる構成に限られない。
なお、図５には、インデックス格子１２の異なる位置から第１の光Ｌ１および第２の光Ｌ２が出射される構成のエンコーダを示しているが、本実施の形態はこれに限られず、インデックス格子１２に入射される光を、第１の光Ｌ１および第２の光Ｌ２に分離する構成のエンコーダであってもよい。

［第５の実施形態］
次に、図６を参照して、本発明の他の実施の形態について説明する。図６は、第５の実施形態にかかるエンコーダ５の概略図である。なお、第１の実施形態と同じ機能・構成を有する構成部材については、同一の符号を付すことにより、詳細な説明は省略する。
図６に示すとおり、エンコーダ５は、光源部５０、インデックス格子１２、一対のミラー１３ａ、１３ｂ、移動格子１４、受光素子１５および固定回折格子５１を含む。

光源部５０は、光源部１１と同様に、変調部１１ａ、光源１１ｂ、コリメータレンズ１１ｃを含み、変調部１１ａにより変調されたコヒーレントな変調光を、平行に出射する。光源部５０は、固定回折格子５１の受光面に対して垂直に入射する光を出射する位置に配置されている。

固定回折格子５１は、光源部５０とインデックス格子１２の間の光路上に配置され、光源部５０から出射された光の進行方向を変えるとともに、異なる位置から第１の光Ｌ１と第２の光Ｌ２を出射する。固定回折格子５１には、入射した複数の平行光を、同じ方向に回折する所定の回折パターンが形成されている。
固定回折格子５１は、光源部５０と対向する位置に受光面を、インデックス格子１２と対向する位置に出射面を有する。固定回折格子５１は、受光面が、光源部５０から出射された平行光と直交する位置に配置され、出射面が、インデックス格子１２の面方向（入射面方向）と斜めに交わる位置に配置されている。つまり、固定回折格子５１は、インデックス格子１２との間の第１の光Ｌ１の光路長に比べて第２の光Ｌ２の光路長が長くなるように、第１の光Ｌ１を出射する側が、第２の光Ｌ２を出射する側に比べて、インデックス格子１２に近づけて配置されている。換言すると、インデックス格子１２と固定回折格子５１とが互いに面しかつ非平行に配されている。なお、エンコーダ５が、２つの格子１２、５１を含むインデックス格子を含むと言うこともできる。

インデックス格子１２は、固定回折格子５１から平行に出射される第１の光Ｌ１と第２の光Ｌ２を異なる位置で受光し、上述の通り、異なる位置から第１の光Ｌ１と第２の光Ｌ２を出射する。

この構成により、固定回折格子５１を出射し、インデックス格子１２およびミラー１３ａを介して移動格子１４に入射するまでの第１の光Ｌ１の光路長は、固定回折格子５１を出射し、インデックス格子１２およびミラー１３ｂを介して移動格子１４に入射するまでの第２の光Ｌ２の光路長に比べて、短くなる。

つまり、上述の実施形態にと同様に、エンコーダ５は、受光素子１５により得られる干渉光の干渉強度を、（１）変調部１１ａによって与えられた変調および第１の光Ｌ１，第２の光Ｌ２の光路差に基づく位相差、および（２）移動格子１４の移動方向、移動量、あるいは変位に応じて変化させることができる。

［第６の実施形態］
次に、図７を参照して、本発明の他の実施の形態について説明する。図７は、第６の実施形態にかかるエンコーダ６の概略図である。なお、本実施形態において、エンコーダ６は、上述の全ての実施形態にかかるエンコーダに適用可能であり、ここでは、第２の実施形態にかかるエンコーダ２に適用した例を用いて説明する。このため、エンコーダ２と同じ機能・構成を有する構成部材については、同一の符号を付すことにより、詳細な説明は省略する。
図７に示すとおり、エンコーダ６は、光源部２０、インデックス格子１２、一対のミラー１３ａ、１３ｂ、移動格子１４、受光素子１５、ハーフミラー６０、補償格子６１および受光素子６２を含む。

ハーフミラー６０は、ミラー１３ａ、１３ｂと移動格子１４との間の光路上に、移動格子１４の面方向に対して斜めに交わる位置で、光源部２０が固定されている側に固定されている。ハーフミラー（分岐部）６０は、受光した第１の光Ｌ１および第２の光Ｌ２を反射あるいは透過させることにより、第１の光Ｌ１および第２の光Ｌ２のそれぞれを分離する。インデックス格子１２と移動格子１４との間で、第１の光Ｌ１及び第２の光Ｌ２はハーフミラー６０を介してそれぞれ分岐される。ハーフミラー６０を透過した第１の光Ｌ１および第２の光Ｌ２は、上述の通り、重なるように移動格子１４に入射する。一方、ハーフミラー６０は、第１の光Ｌ１および第２の光Ｌ２のそれぞれの反射光である第３の光Ｌ３および第４の光Ｌ４を、重なるように補償格子６１に向けて出射する。

補償格子（補格子）６１は、ハーフミラー６０によって出射された第３の光Ｌ３および第４の光Ｌ４が重なる位置に固定され、移動格子１４の回折パターンと同一の回折パターンがＹ軸方向に沿って周期的に形成された回折格子である。補償格子６１は、移動格子１４に入射される第１の光Ｌ１および第２の光Ｌ２のハーフミラー６０から移動格子１４までのそれぞれ光路長と、補償格子６１に入射される第３の光Ｌ３および第４の光Ｌ４のハーフミラー６０から補償格子６１までのそれぞれの光路長とが、それぞれ等しくなる位置に固定されている。

受光素子（補受光部）６２は、補償格子６１から出射した干渉光を受光し、干渉光の干渉強度を示す光電変換信号を出力する。受光素子６２により出力された光電変換信号は、受光素子１５において出力された光電変換信号に対する補償信号として、図示しない所定の補償装置において利用可能である。この補償装置は、例えば、受光素子１５により出力された光電変換信号を上述した特許文献１の信号処理で得られた位置情報と、受光素子６２により出力された光電変換に同様な処理を施し得る補償信号との差分を算出し、変調の中心波長の変動や、移動格子１４のＺ軸方向の変位などを検出することができる。

この構成により、光源部２０を出射しハーフミラー６０に入射するまでの第１の光Ｌ１の光路長は、光源部２０を出射しハーフミラー６０に入射するまでの第２の光Ｌ２の光路長に比べて、短くなる。このため、補償格子６１に入射する第３の光Ｌ３および第４の光Ｌ４は変調されており、かつ、補償格子６１に干渉した状態で位相差を有する。よって、補償格子６１上には、移動格子１４上に形成される干渉縞と等しい、周期的に移動する干渉縞が形成される。
つまり、受光素子６２は、移動格子１４上に形成される干渉縞の移動を、補償格子６１を介して検出することができる。よって、この補償信号を用いて補償装置等により所定の信号処理することで、移動格子１４の所定の移動方向（Ｘ軸方向）の変位の計測安定性を向上に役立てることができる。

［第７の実施形態］
本発明においては、既に述べた通り、光源から射出される光の波長を周期的に変調する。そのために光源に供給する電流を変調する場合には、波長の変調に加えて光量の変調も伴う。波長を変調する度合いは小さいので、光量の変調は小さいが、このような光量の変調を除去する必要が生じることも考えられる。以下、図８を参照して、そのための実施形態について説明するが、このことは上述した全ての実施形態にかかるエンコーダに対して適用可能である。なお、本実施形態のエンコーダ７は、第１の実施形態にかかるエンコーダ１に適用した例を用いて説明する。このため、エンコーダ１と同じ機能及び構成を有する構成部材については、同一の符号を付すことにより、詳細な説明は省略する。
図８に示すように、エンコーダ７は、光源部１１、インデックス格子１２、一対のミラー１３ａ、１３ｂ、受光素子１５、ガラスブロック１６と、これら構成部材に対して相対的に変位可能に設けられている移動格子１４と、光量補正部６３およびＧＣＡ（ゲインコントロールアンプ）６４を有する。光量補正部６４及びＧＣＡ６４を含んで光量補償系が構成される。

光源１１ｂは、出射する光の光量を検出する光量センサを備え、この光量センサにより検出された光量に応じた電気信号を光量補正部６３に出力する。ここで、光源１１ｂから出射される光の光量は、変調部１１ａから供給される電流に応じて変化する。例えば、受光素子１５により得られる干渉光の干渉強度が、｜Ｅ｜^２＝（１＋Ｆｓｉｎωｔ）・｛Ａ＋２ｃｏｓ（４πＸ／Ｐ＋ΔＬ・Ａ_０ｓｉｎωｔ）｝となり、電流を変化させて光源１１ｂから変調光を出射させる場合に比べて、変調部１１ａから供給される電流変化に応じた強度変調項＝（１＋Ｆｓｉｎωｔ）が発生する。この強度変調項は、受光素子１５から出力される光電変換信号の出力電圧レベルを不安定にさせるものである。

光量補正部６３は、光源１１ｂとＧＣＡ６４のそれぞれと接続され、光源１１ｂの光量センサから出力された電気信号に基づき、受光素子１５から出力される光電変換信号の出力電圧のレベルを制御する。つまり、光量補正部６３は、変調部１１ａから供給される電流変化に応じた強度変調項＝（１＋Ｆｓｉｎωｔ）による影響を減退させるよう、この強度変調項が「１」となるような制御信号を、ＧＣＡ６４に出力する。
ＧＣＡ６４は、受光素子１５と接続され、光量補正部６３からの制御信号に基づき、受光素子１５から受信した光電変換信号の出力電圧のレベルを調整し、光量の変化によるばらつきを補正した信号を出力する。

なお、本実施形態にかかるエンコーダ７は、上述の構成に限られず、例えば、光源１１ｂが光量センサを保持する構成でなく、光源部１１から出射される光を受光する所定の光量センサを任意の位置に設置し、光量補正部６３が、この任意の位置に設置された光量センサによって検出された光量に応じた電気信号に基づきＧＣＡ６４を制御する構成であってもよい。このように光量センサを利用することにより、変調部１１ａにより供給される電流の変化と、光源１１ｂから出射される光の光量変化とが完全に対応していない場合、ＧＣＡ６４の制御において、上記の変化によるばらつきを排除することができる。
また、上記変化によるばらつきを考慮しない場合、光量センサは必要なく、光量補正部６３は、変調部１１ａから供給される電流の変化を表す信号を受信し、この電流変化を表す信号に基づき、ＧＣＡ６４を制御する構成であってもよい。
また、このような構成により、受光素子１５から出力される光電変換信号の出力電圧レベルが不安定となる事態を回避することができる。

なお、本発明にかかるエンコーダは、３格子エンコーダでも、２格子エンコーダでもよい。２格子エンコーダとしては、例えば、光源部から平行に出射された変調光を受光し、第１の光Ｌ１と第２の光Ｌ２を出射するインデックス格子と、この第１の光Ｌ１と第２の光Ｌ２が重なる位置に配置され、光源部とインデックス格子に対して相対的に変位する移動格子とを備える構成を有するものがある。このような構成を有する２格子エンコーダは、インデックス格子により分離される第１の光Ｌ１および第２の光Ｌ２として、異なる次数の回折光を利用することにより、移動格子において干渉縞を得ることができる。例えば、第１の光Ｌ１および第２の光Ｌ２として、それぞれ１次回折光および２次回折光、あるいは、０次回折光および１次回折光を利用することができる。

一実施形態において、変調装置を含み、波長が周期的に変化する光を出射する光源部と、前記光源部からの前記光が入射し、第１回折光及び第２回折光が出射するインデックス格子と、前記第１回折光及び前記第２回折光が入射し、前記インデックス格子に対して相対的に変位可能な移動格子と、前記移動格子から出射される、前記第１回折光及び前記第２回折光の干渉光を検出する受光部と、を備え、前記第１回折光と前記第２回折光との間で、前記光源部から前記移動格子までの光学的距離が実質的に異なる、エンコーダが提供できる。

前記実施形態において、前記エンコーダは、前記光源部と前記インデックス格子との間に配置され、所定の屈折率を有し、前記光源部からの前記光の一部が透過する透過性部材をさらに備えることができる。この場合、前記第１回折光及び前記第２回折光の一方は前記透過性部材を通過しており、他方は前記透過性部材を通過していない。

前記実施形態において、前記エンコーダは、前記インデックス格子と前記受光部との間に配置され、前記第１回折光及び前記第２回折光の一方がそれを介することにより前記光学的距離の差が生じる光学部材をさらに備えることができる。

この場合、例えば、前記光学部材は、前記第１回折光及び前記第２回折光の一方が所定の角度で入射するミラーである。また、例えば、前記光学部材は、所定の屈折率を有しかつ、前記第１回折光及び前記第２回折光の一方が通過する透過性部材である。

前記実施形態において、前記光源部からの前記光が前記インデックス格子に対して斜めに入射してもよい。

前記実施形態において、前記インデックス格子は、互いに面しかつ非平行に配置される少なくとも２つの格子を含むことができる。

前記実施形態において、前記エンコーダは、前記インデックス格子と前記移動格子との間で、前記第１回折光及び前記第２回折光がそれを介して分岐する分岐部と、分岐した前記第１回折光と前記第２回折光が入射し、前記インデックス格子に対して実質的に固定された補格子と、前記補格子からの、前記第１回折光及び前記第２回折光の干渉光を検出する補受光部と、を備えることができる。

前記実施形態において、前記エンコーダは、前記光の波長変化に伴う光量変化を補償する光量補償系を備えることができる。

１〜６ エンコーダ
１１ 光源部
１１ａ 変調部
１１ｂ 光源
１１ｃ コリメータレンズ
１２ インデックス格子
１３ａ，１３ｂ ミラー
１４ 移動格子
１５ 受光素子
１６ ガラスブロック
２０ 光源部
３０ 光源部
３１ａ，３１ｂ ミラー
４０ ガラスブロック
５０ 光源部
５１ 固定回折格子
６０ ハーフミラー
６１ 補償格子
６２ 受光素子

Claims (16)

1. 波長が周期的に変化する光を平行に出射する光源部と、
   光源部から出射された光を受光し、第１の光および第２の光を出射する第１の光学部材と、
   前記第１の光学部材により出射された前記第１の光および前記第２の光が重なるように、前記第１の光または前記第２の光の進行方向を変える第２の光学部材と、
   前記第１の光および前記第２の光が重なる位置に配置され、前記光源部、前記第１の光学部材および前記第２の光学部材に対して相対的に変位し、変位による移動方向に沿って周期的に形成された回折格子を有する回折格子部材と、
   前記回折格子部材から出射される前記第１の光および前記第２の光の干渉光を受光し、この干渉光の干渉強度を検出する第１の受光部とを備え、
   前記第１の光の前記光源部から前記回折格子部材における第１の光路の光路長と、前記第２の光の前記光源部から前記回折格子部材における第２の光路の光路長とが、異なり、
   前記第１の光学部材は、前記第１の光および前記第２の光を異なる位置から出射し、
   前記光源部と前記第１の光学部材の間の光路上に配置され、前記光源部から出射された光の進行方向を変えるとともに、異なる位置から前記第１の光と前記第２の光を出射する第３の光学部材をさらに備えることを特徴とするエンコーダ。
2. 波長が周期的に変化する光を平行に出射する光源部と、
   光源部から出射された光を受光し、第１の光および第２の光を出射する第１の光学部材と、
   前記第１の光学部材により出射された前記第１の光および前記第２の光が重なるように、前記第１の光または前記第２の光の進行方向を変える第２の光学部材と、
   前記第１の光および前記第２の光が重なる位置に配置され、前記光源部、前記第１の光学部材および前記第２の光学部材に対して相対的に変位し、変位による移動方向に沿って周期的に形成された回折格子を有する回折格子部材と、
   前記回折格子部材から出射される前記第１の光および前記第２の光の干渉光を受光し、この干渉光の干渉強度を検出する第１の受光部とを備え、
   前記第１の光の前記光源部から前記回折格子部材における第１の光路の光路長と、前記第２の光の前記光源部から前記回折格子部材における第２の光路の光路長とが、異なり、
   前記第１の光学部材は、前記第１の光および前記第２の光を異なる位置から出射し、
   前記光源部から出射される光は、前記第１の光学部材の入射面方向に対して斜めに交わる方向から、前記第１の光学部材に入射することを特徴とするエンコーダ。
3. 波長が周期的に変化する光を平行に出射する光源部と、
   光源部から出射された光を受光し、第１の光および第２の光を出射する第１の光学部材と、
   前記第１の光学部材により出射された前記第１の光および前記第２の光が重なるように、前記第１の光または前記第２の光の進行方向を変える第２の光学部材と、
   前記第１の光および前記第２の光が重なる位置に配置され、前記光源部、前記第１の光学部材および前記第２の光学部材に対して相対的に変位し、変位による移動方向に沿って周期的に形成された回折格子を有する回折格子部材と、
   前記回折格子部材から出射される前記第１の光および前記第２の光の干渉光を受光し、この干渉光の干渉強度を検出する第１の受光部とを備え、
   前記第１の光の前記光源部から前記回折格子部材における第１の光路の光路長と、前記第２の光の前記光源部から前記回折格子部材における第２の光路の光路長とが、異なり、
   前記第２の光学部材は、
   前記第１の光学部材の入射面方向と直交する方向に位置された反射面を有し、前記第１の光を反射させて進行方向を変える第１の反射部材と、
   前記第１の光学部材の入射面方向と斜めに交わる方向に位置された反射面を有し、前記第２の光を反射させて進行方向を変える第２の反射部材とを含むことを特徴とするエンコーダ。
4. 波長が周期的に変化する光を平行に出射する光源部と、
   光源部から出射された光を受光し、第１の光および第２の光を出射する第１の光学部材と、
   前記第１の光学部材により出射された前記第１の光および前記第２の光が重なるように、前記第１の光または前記第２の光の進行方向を変える第２の光学部材と、
   前記第１の光および前記第２の光が重なる位置に配置され、前記光源部、前記第１の光学部材および前記第２の光学部材に対して相対的に変位し、変位による移動方向に沿って周期的に形成された回折格子を有する回折格子部材と、
   前記回折格子部材から出射される前記第１の光および前記第２の光の干渉光を受光し、この干渉光の干渉強度を検出する第１の受光部とを備え、
   前記第１の光の前記光源部から前記回折格子部材における第１の光路の光路長と、前記第２の光の前記光源部から前記回折格子部材における第２の光路の光路長とが、異なり、
   前記回折格子部材と同一の回折格子を有し、前記光源部、前記第１の光学部材および前記第２の光学部材に対して一定の位置関係を保持するとともに前記回折格子に対して相対的に変位する補償回折格子部材と、
   前記第２の光学部材と前記回折格子部材との間の光路上に配置され、前記第２の光学部材から受光した前記第１の光および前記第２の光をそれぞれ分離し、分離された前記第１の光および前記第２の光に基づく一方の光を前記回折格子部材に対して重なるように出射し、分離された前記第１の光および前記第２の光に基づく他方の光を前記補償回折格子部材に対して重なるように出射する第４の光学部材と、
   前記補償回折格子部材から前記第１の光および前記第２の光に基づく干渉光を受光し、
   この干渉光の干渉強度を検出する第２の受光部とをさらに備えることを特徴とするエンコーダ。
5. 波長が周期的に変化する光を平行に出射する光源部と、
   光源部から出射された光を受光し、第１の光および第２の光を出射する第１の光学部材と、
   前記第１の光学部材により出射された前記第１の光および前記第２の光が重なるように、前記第１の光または前記第２の光の進行方向を変える第２の光学部材と、
   前記第１の光および前記第２の光が重なる位置に配置され、前記光源部、前記第１の光学部材および前記第２の光学部材に対して相対的に変位し、変位による移動方向に沿って周期的に形成された回折格子を有する回折格子部材と、
   前記回折格子部材から出射される前記第１の光および前記第２の光の干渉光を受光し、この干渉光の干渉強度を検出する第１の受光部とを備え、
   前記第１の光の前記光源部から前記回折格子部材における第１の光路の光路長と、前記第２の光の前記光源部から前記回折格子部材における第２の光路の光路長とが、異なり、
   前記第１の光学部材と前記回折格子部材との間において前記第１の光から分離された第３の光と前記第２の光から分離された第４の光とが入射する補償格子と、
   前記第３の光と前記第４の光とに基づく干渉光を検出する第２の受光部と、を備える、
   ことを特徴とするエンコーダ。
6. 前記第１の光学部材は、前記第１の光および前記第２の光を異なる位置から出射し、
   前記第１の光路上あるいは前記第２の光路上のいずれか一方の光路上であって、前記光源部と前記第１の光学部材との間に配置され、所定の屈折率を有する透過性部材をさらに備えることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載のエンコーダ。
7. 前記第２の光学部材は、
   それぞれ前記第１の光学部材の入射面方向と直交する方向に位置された反射面を有し、
   前記第１の光および前記第２の光を、それぞれ反射させて進行方向を変える第１の反射部材および第２の反射部材を含み、
   前記第１の光路上あるいは前記第２の光路上のいずれか一方の光路上であって、前記第１の光学部材と前記回折格子部材との間に配置され、所定の屈折率を有する透過性部材をさらに備えることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載のエンコーダ。
8. 前記光の波長変化に伴う光量変化を補償する、ことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載のエンコーダ。
9. 波長が周期的に変化する光を射出する光源部と、
   前記光源部から射出された前記光のうち第１の光と第２の光とに基づく第１の干渉光を受光する第１の受光部と、を備え、
   前記第１の光と前記第２の光との光路長差は、前記波長が周期的に変化することに応じて変化することを特徴とするエンコーダ。
10. 前記第１の光から分離された第３の光と前記第２の光から分離された第４の光とに基づく第２の干渉光を受光する第２の受光部、を備えることを特徴とする請求項９に記載のエンコーダ。
11. 前記第１の光を前記第３の光に分離し、前記第２の光を前記第４の光に分離する光学部材、を備えることを特徴とする請求項１０に記載のエンコーダ。
12. 前記第３の光と前記第４の光との光路長差は、前記波長が周期的に変化することに応じて変化することを特徴とする請求項１０又は請求項１１に記載のエンコーダ。
13. 前記第３の光と前記第４の光とが入射する補償格子を備え、
    前記第２の受光部は、前記第２の干渉光に基づく補償信号を補償装置に出力すること
    を特徴とする請求項１０に記載のエンコーダ。
14. 前記第１の干渉光に基づき前記光の光量を補償する光量補償系を備えること
    を特徴とする請求項９に記載のエンコーダ。
15. 前記光源部と前記第１の受光部との光路の間に配置され、前記光源部及び前記第１の受光部に対して相対的に変位し、前記第１の光と前記第２の光とが入射する移動格子を備えること
    を特徴とする請求項９又は請求項１０に記載のエンコーダ。
16. 前記光源部は、前記波長を周期的に変化させる変調部を含むこと
    を特徴とする請求項９又は請求項１０に記載のエンコーダ。

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