JP6629014B2 - エンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、エンコーダに関する。

現在、移動量を測定する装置の一つとして、光学式リニアエンコーダがある。光学式リニアエンコーダは、スケールとスケールに沿って移動する検出ヘッドとを有する。スケールには、例えば、原点位置を検出するためのアブソリュートパターンと、スケールと検出ヘッドとの間の相対的な移動量を検出するためのインクリメンタルパターンとが設けられる。光学式リニアエンコーダは、スケール上のアブソリュートパターンの検出結果である原点信号により原点位置を決定する。そして、原点位置を基準として上記の移動量を考慮することで、スケールと検出ヘッドとの間の位置関係を検出することができる。

例えば、光学式エンコーダの一例として、連続的な周期性を有するスケール格子を、レンズアレイ光学系を用いて検出するエンコーダが開示されている（特許文献１）。このエンコーダでは、レンズアレイを構成する個々のレンズによる光学系が投影する範囲の境目において、結像している像の位相が一致するように、又は、一定の位相シフトが生じるように、レンズアレイのピッチが決定される。これにより、レンズアレイを用いた局所的な結像の集まりを、１つの受光素子アレイで検出することができる。

また、テレセントリック光学系を用いて格子パターンの像を結像させるエンコーダも提案されている（特許文献２）。

特表２００５−５２２６８２号公報 特開２００６−２８４５６３号公報

しかし、発明者は、上述のエンコーダには以下に示す問題点があることを見出した。上述のエンコーダでは、決定されたレンズアレイのピッチを正確に実現する必要があるので、レンズアレイ製造には精密な製造技術が必要となる。また、レンズアレイを精密に製造できたとしても、レンズアレイの周囲温度が変化してしまう環境においては、温度変動によるレンズアレイの素材の伸縮によりレンズアレイのピッチも変化してしまう。ここで、レンズアレイの素材としてプラスチックを使用した場合に想定される線膨張係数を６０×１０^−６（１／℃）、想定する温度変動を１００℃、レンズピッチを１ｍｍとすると、６μｍのピッチ変動が予想される。よって、スケールのパターンの周期が数１０μｍ以下の場合には、ピッチ変動を無視することができない。線膨張係数が小さいガラス素材を使用することも考えられるが、素材コスト及び製造コストの上昇をもたらしてしまう。また、レンズアレイのピッチはスケールのパターンと同期する、すなわちスケールのパターンの整数倍となるため、周期的に特定のレンズ収差の影響を受けてしまう。

図１０は、一般的なエンコーダにおける収差の影響を模式的に示す図である。スケール７１には、例えばインクリメンタルパターンが形成され、測定方向（Ｘ方向）に光透過部７１Ａと不透過部７１Ｂとが繰り返して配置される。スケール７１には光ＰＬが照射され、スケール７１を透過した光は、レンズアレイ７２により、受光部の受光面７３に干渉縞ＦＰとして結像する。レンズアレイ７２には、測定方向（Ｘ方向）にピッチ（レンズアレイピッチ）ＡＧでレンズ７２Ａが繰り返して配置される。この例では、レンズアレイピッチＡＧは、スケール７１の格子パターンのピッチＰの整数倍となるように決定される。

その結果、図１０に示すように、収差ＡＢＥはスケール７１の格子パターンのピッチＰの整数倍（レンズアレイピッチＡＧ）ごとに周期的に繰り返す傾向を示す。このとき、ピッチＰで周期的に表れる干渉縞ＦＰのピークに対する収差ＡＢＥの影響も、レンズアレイピッチＡＧごとに繰り返されることになる。その結果、受光部が出力する干渉縞ＦＰの検出結果にも収差による固有の影響が生じ、干渉縞の検出精度が低下するおそれがあった。

本発明は、上記の事情に鑑みて成されたものであり、レンズアレイで構成される光学系を用いたエンコーダにおいて、レンズ収差の影響を抑制することを目的とする。

本発明の第１の態様であるエンコーダは、
測定方向に配列されたパターンを有するスケールと、
前記スケールに対して前記測定方向に相対的に移動可能であり、前記パターンの検出結果を示す電気信号を出力する検出ヘッドと、
前記電気信号から前記スケールに対する前記検出ヘッドの相対的な移動量を算出する演算部と、を備え、
前記検出ヘッドは、
前記スケールに光を照射する光源と、
前記測定方向に配列された受光素子アレイを有し、前記受光素子アレイに照射される光の検出結果を前記電気信号として出力する受光部と、
前記測定方向に配列されたレンズアレイによって前記スケールからの光を前記受光部の受光面に干渉縞として結像させる正立光学系である光学系と、を備え、
前記レンズアレイの隣接するレンズ間のピッチは、前記パターンのピッチの整数倍ではない値である、ものである。
これにより、レンズアレイのピッチはパターンのピッチの整数倍となることはないので、レンズアレイのレンズによる収差の影響を平均化して、干渉縞全体で見た場合の収差の影響を抑制することができる。

本発明の第２の態様であるエンコーダは、上記のエンコーダであって、
前記光学系は、１倍正立光学系である、ことが望ましい。
これにより、収差の影響を抑制できる１倍正立光学系を有するエンコーダを具体的に実現することができる。

本発明の第３の態様であるエンコーダは、上記のエンコーダであって、
前記光学系は、
前記スケールに対して前記光源の照射方向に隣接して配置された第１のレンズアレイと、
前記第１のレンズアレイに対して前記受光部側に配置された第２のレンズアレイと、
前記第２のレンズアレイに対して前記受光部側に配置された第３のレンズアレイと、を備え、
前記第１〜第３のレンズアレイを構成するレンズ間の前記測定方向のピッチは同じである、ことが望ましい。
これにより、３枚のレンズアレイにより構成される、収差の影響を抑制できる１倍正立光学系を有するエンコーダを具体的に実現することができる。

本発明の第４の態様であるエンコーダは、上記のエンコーダであって、
前記スケールと前記第１のレンズアレイとの間の距離、前記第１のレンズアレイと前記第２のレンズアレイとの間の距離、前記第２のレンズアレイと前記第３のレンズアレイとの間の距離、及び、前記第３のレンズアレイと前記受光部の前記受光面との間の距離は、前記第１〜第３のレンズアレイを構成するレンズの焦点距離の２倍と等しい、ことが望ましい。
これにより、３枚のレンズアレイにより構成される、収差の影響を抑制できる１倍正立光学系を有するエンコーダを具体的に実現することができる。

本発明の第５の態様であるエンコーダは、上記のエンコーダであって、
前記光学系は、縮小正立光学系である、ことが望ましい。
これにより、収差の影響を抑制できる縮小正立光学系を有するエンコーダを具体的に実現することができる。

本発明の第６の態様であるエンコーダは、上記のエンコーダであって、
前記光学系は、
前記スケールに対して前記光源の照射方向に隣接して配置された第１のレンズアレイと、
前記第１のレンズアレイに対して前記受光部側に配置された第２のレンズアレイと、
前記第２のレンズアレイに対して前記受光部側に配置された第３のレンズアレイと、を備え、
前記第１のレンズアレイを構成するレンズ間の前記測定方向の第１のピッチは、前記第２のレンズアレイを構成するレンズ間の前記測定方向の第２のピッチよりも大きく、
前記第２のピッチは、前記第３のレンズアレイを構成するレンズ間の前記測定方向の第３のピッチよりも大きい、ことが望ましい。
これにより、３枚のレンズアレイにより構成される、収差の影響を抑制できる縮小正立光学系を有するエンコーダを具体的に実現することができる。

本発明の第７の態様であるエンコーダは、上記のエンコーダであって、
前記光学系は、１／２倍正立光学系であり、
前記スケールと前記第１のレンズアレイとの間の距離、及び、前記第２のレンズアレイと前記第３のレンズアレイとの間の距離は、第１の距離Ｄ１であり、
前記第１のレンズアレイと前記第２のレンズアレイとの間の距離、及び、前記第３のレンズアレイと前記受光部の前記受光面との間の距離は、第２の距離Ｄ２であり、
前記第１〜第３のレンズアレイを構成するレンズの焦点距離がｆである場合、前記第１の距離Ｄ１及び前記第２の距離Ｄ２は、以下の式で表される、ことが望ましい。

これにより、３枚のレンズアレイにより構成される、収差の影響を抑制できる１／２倍正立光学系を有するエンコーダを具体的に実現することができる。

本発明の第８の態様であるエンコーダは、上記のエンコーダであって、
前記第１〜第３のレンズアレイを構成するレンズは、前記光源の照射方向及び前記測定方向と直交する方向が長手方向であるシリンドリカルレンズである、ことが望ましい。
これにより、３枚のレンズアレイにより構成される、収差の影響を抑制できる正立光学系を有するエンコーダを具体的に実現することができる。

本発明の第９の態様であるエンコーダは、上記のエンコーダであって、
前記光学系は、
前記スケールに対して前記光源の照射方向に隣接して配置された第４のレンズアレイと、
前記第４のレンズアレイに対して前記受光部側に配置され、前記第４のレンズアレイと共に両側テレセントリック光学系を構成する第５のレンズアレイと、
前記第５のレンズアレイに対して前記受光部側に配置された第６のレンズアレイと、
前記第６のレンズアレイに対して前記受光部側に配置され、前記第６のレンズアレイと共に両側テレセントリック光学系を構成する第７のレンズアレイと、を備え、
前記第４〜第７のレンズアレイを構成するレンズ間の前記測定方向のピッチは同じである、ことが望ましい。
これにより、４枚のレンズアレイにより構成される、収差の影響を抑制できる１倍正立光学系を有するエンコーダを具体的に実現することができる。また、本構成では、スケールと第４のレンズアレイとの間の距離、及び、第７のレンズアレイと受光部の受光面との間の距離の一方又は両方の距離が変動した場合でも、干渉縞のピーク位置の変動を抑制することができる。

本発明の第１０の態様であるエンコーダは、上記のエンコーダであって、
前記スケールと前記第４のレンズアレイとの間の距離、及び、前記第７のレンズアレイと前記受光部の前記受光面との間の距離は、前記第４〜第７のレンズアレイを構成するレンズの焦点距離と等しく、
前記第４のレンズアレイと前記第５のレンズアレイとの間の距離、前記第５のレンズアレイと前記第６のレンズアレイとの間の距離、及び、前記第６のレンズアレイと前記第７のレンズアレイとの間の距離は、前記第４〜第７のレンズアレイを構成するレンズの焦点距離の２倍と等しい、ことが望ましい。
これにより、４枚のレンズアレイにより構成される、収差の影響を抑制できる１倍正立光学系を有するエンコーダを具体的に実現することができる。また、本構成では、スケールと第４のレンズアレイとの間の距離、及び、第７のレンズアレイと受光部の受光面との間の距離の一方又は両方の距離が変動した場合でも、干渉縞のピーク位置の変動を抑制することができる。

本発明の第１１の態様であるエンコーダは、上記のエンコーダであって、
前記第４〜第７のレンズアレイを構成するレンズは、前記光源の照射方向及び前記測定方向と直交する方向が長手方向であるシリンドリカルレンズである、ことが望ましい。
これにより、４枚のレンズアレイにより構成される、収差の影響を抑制できる１倍正立光学系を有するエンコーダを具体的に実現することができる。

本発明の第１２の態様であるエンコーダは、上記のエンコーダであって、
前記第４〜第７のレンズアレイを構成するレンズの光軸が通る位置に開口を有するアパーチャを更に備え、
前記アパーチャは、前記第４のレンズアレイと前記第５のレンズアレイの間、及び、前記第６のレンズアレイと前記第７のレンズアレイの間の一方又は両方に挿入される、ことが望ましい。
これにより、スケールと第４のレンズアレイとの間の距離、及び、第７のレンズアレイと受光部の受光面との間の距離の一方又は両方の距離が変動した場合でも、干渉縞のピーク強度の変動を抑制することができる。

本発明の第１３の態様であるエンコーダは、上記のエンコーダであって、
前記光学系がＮ（Ｎは、正の実数）倍の正立光学系である場合、
前記受光素子アレイでは、連続して配列される４つの受光素子が１つの領域を構成し、かつ、前記領域が前記測定方向に繰り返して配列され、
前記受光素子アレイの受光素子の配列ピッチは、前記パターンの配列ピッチの１／４Ｎであり、
前記領域の４つの受光素子は、それぞれＡ相、Ｂ相、Ａ−相及びＢ−相に対応する前記電気信号を出力することが望ましい。
これにより、４相信号により位置検出を行うエンコーダを提供することができる。

本発明によれば、レンズアレイで構成される光学系を用いたエンコーダにおいて、レンズ収差の影響を抑制することができる。

本発明の上述及び他の目的、特徴、及び長所は以下の詳細な説明及び付随する図面からより完全に理解されるだろう。付随する図面は図解のためだけに示されたものであり、本発明を制限するためのものではない。

実施の形態１にかかるエンコーダの外観を示す斜視図である。 実施の形態１にかかるエンコーダの検出ヘッドの内部とスケールとを詳細に示した図である。 実施の形態１にかかる光学系の構成を示す図である。 実施の形態１にかかる受光部で生じる干渉縞と光学系による収差の関係を示す図である。 実施の形態２にかかる光学系及び受光部の構成を示す図である。 実施の形態３にかかる光学系の構成を示す図である。 実施の形態４にかかるエンコーダの光学系の構成を示す図である。 実施の形態４にかかるエンコーダの変形例の光学系の構成を示す図である。 実施の形態４にかかるエンコーダの変形例の光学系の構成を示す図である。 一般的なエンコーダにおける収差の影響を模式的に示す図である。

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。各図面においては、同一要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略される。以下の実施の形態にかかるエンコーダは、格子パターンからの光を検出して位置を算出する光学式エンコーダとして構成される。

実施の形態１
本発明の実施の形態１にかかるエンコーダについて説明する。図１は、実施の形態１にかかるエンコーダ１００の外観を示す斜視図である。図１に示すように、エンコーダ１００は、スケール１、検出ヘッド２及び演算部３を有する。

スケール１について説明する。図２は、実施の形態１にかかるエンコーダ１００の検出ヘッド２の内部とスケール１とを詳細に示した図である。図２に示すように、スケール１は、エンコーダ１００の測定方向であるＸ方向を長手方向とする板状の部材として構成される。スケール１は、インクリメンタルパターンである格子パターン４を有する。格子パターン４はＹ方向を長手方向とするパターンである。ここで、Ｙ方向は、スケール１のパターンが配置されている面内でＸ方向（すなわち、測定方向）と直交（ないしは交差）する方向である。

格子パターン４は、インクリメンタル信号を生成するためのパターンである。格子パターン４には、Ｙ方向を長手方向とする光透過部５と不透過部６とが、等しいピッチＰで測定方向（Ｘ方向）に交互に配列される。格子パターン４の測定方向（Ｘ方向）のピッチＰは、例えば５０μｍである。この場合、例えば測定方向（Ｘ方向）の幅が２５μｍの光透過部５と測定方向（Ｘ方向）の幅が２５μｍの不透過部６とが交互に配列される。

検出ヘッド２について説明する。図１に示すように、検出ヘッド２は、スケール１に対して測定方向（Ｘ方向）に相対的に移動可能に構成され、格子パターン４の検出結果を示す電気信号を出力する。図２に示すように、検出ヘッド２は、光源７、光学系１１及び受光部１２を有する。

図２に示すように、光源７は、スケール１に光ＰＬを照射する。光源７は、例えば光源及びコリメートレンズにより構成される。この場合の光源としては、例えば、ＬＥＤ（Light Emitting Diode：発光ダイオード）、半導体レーザ、ＳＬＥＤ（Self-Scanning Light Emitting Device：自己走査型発光素子）、ＯＬＥＤ（Organic light-emitting diode：有機発光ダイオード）などを用いることができる。

光学系１１は、スケール１で回折された光を、受光部１２の受光面に結像させる。これにより、受光部１２の受光面には干渉縞が生じる。

受光部１２は、受光素子アレイとして構成され、格子パターン４を透過した光を受光し、受光した光を電気信号に変換する。受光部１２は、受光素子１２Ａ〜１２Ｄのそれぞれを複数個有する。受光素子１２Ａ〜１２Ｄとしては、例えば、フォトダイオードを用いることができる。受光素子１２Ａ〜１２Ｄは、測定方向（Ｘ方向）に並んで配列され、１つのセットを構成する。受光素子１２Ａ〜１２Ｄ（すなわち、４個の受光素子）で構成されるセットは、測定方向（Ｘ方向）に繰り返して配列される。

受光素子１２Ａ〜１２Ｄは、測定方向（Ｘ方向）の幅が格子パターン４のピッチＰの１／４（すなわち、Ｐ／４）となるように構成される。これにより、受光部１２は、４相信号を出力するように構成されることが理解できる。例えば、受光素子１２ＡはＡ相信号を出力し、受光素子１２ＢはＢ相信号を出力し、受光素子１２ＣはＡ−相信号を出力し、受光素子１２ＤはＢ−相信号を出力する。

図１に戻り、エンコーダ１００の他の構成について説明する。演算部３は、受光部１２が出力する４相信号を処理し、スケール１と検出ヘッド２との間の相対的な測定方向（Ｘ方向）の移動量を算出する。エンコーダ１００では、演算部３は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を有する計算機、例えばパーソナルコンピュータを用いることで実現することができる。

続いて、本実施の形態にかかる光学系１１について説明する。図３は、実施の形態１にかかる光学系１１の構成を示す図である。光学系１１は、光の照射方向（Ｘ方向及びＹ方向と直交するＺ方向）に並んで配置された、３つのレンズアレイ１３〜１５（それぞれ、第１〜第３のレンズアレイとも称する）を有する１倍正立光学系として構成される。レンズアレイ１３〜１５は、スケール１側から、レンズアレイ１３、レンズアレイ１４、レンズアレイ１５の順に配置される。

レンズアレイ１３は、レンズ１３Ａが測定方向（Ｘ方向）に並んで配列される。レンズ１３Ａは、Ｘ−Ｚ平面における断面のスケール１の側が凸である平凸レンズ状の形状であり、Ｙ−Ｚ平面における断面が矩形（不図示）である、焦点距離ｆのシリンドリカルレンズとして形成される。レンズアレイ１４は、レンズ１４ＡがＸ方向に並んで配列される。レンズアレイ１５は、レンズ１５ＡがＸ方向に並んで配列される。レンズ１４Ａ及び１５Ａは、レンズ１３Ａと同一の形状及び大きさを有する、焦点距離ｆのシリンドリカルレンズとして形成される。

本実施の形態では、レンズアレイ１３〜１５のレンズアレイピッチ（レンズアレイの隣接レンズの光軸間の距離）をＡＧとする。ここで、レンズアレイピッチＡＧが格子パターン４のピッチＰの整数倍と異なる値となるように（ＡＧ≠ｋＰ（ｋは、整数））、レンズ１３Ａ、１４Ａ及び１５Ａが構成される。なお、当然のことながら、レンズ１３Ａ、１４Ａ及び１５ＡのＸ方向の幅は、レンズアレイピッチＡＧと等しい値となる。

また、本実施の形態では、格子パターン４とレンズアレイ１３との間の距離、レンズアレイ１３とレンズアレイ１４との間の距離、レンズアレイ１４とレンズアレイ１５との距離、及び、レンズアレイ１５と受光部１２の受光面との間の距離は、レンズ１３Ａ、１４Ａ及び１５Ａの焦点距離ｆの２倍と等しくなるように、光学系１１が構成される。

これにより、光学系１１は、−１倍倒立光学系を直列に配置した、１倍正立光学系として構成されることとなる。図４は、実施の形態１にかかる受光部１２で生じる干渉縞ＦＰと光学系１１による収差の関係を示す図である。ＡＧ≠ｋＰであるにもかかわらず、図４に示すように、受光部１２の受光面における格子パターン４の像（すなわち、干渉縞）には位相差が生じない。その結果、受光部１２の受光面には、格子パターン４の明暗を反映した干渉縞ＦＰが生じる。

一方、ＡＧ≠ｋＰであるので、レンズアレイによる収差ＡＢＥの繰り返し周期（すなわちＡＧ）は、格子パターン４のピッチＰの整数倍とは一致しない。従って、図４に示すように、干渉縞ＦＰの明部に影響する収差の大きさが不均一となる。その結果、干渉縞全体でみた場合の収差の影響が平均化されることが理解できる。

また、本実施の形態では、ＡＧ≠ｋＰ、特にレンズアレイピッチＡＧを格子パターン４のピッチＰの整数倍でない値とすることができるので、レンズアレイピッチＡＧを比較的自由な値に設定することができる。これにより、レンズアレイの製造公差を大きくすることができるので、歩留まり向上や製造コスト低減を実現することができる。また、本発明によれば、レンズアレイのピッチが特定の値に制限されないので、使用環境の変化によってレンズアレイのピッチが変化しても、依然として干渉縞を検出することができる。

上述の通り、レンズアレイピッチＡＧを格子パターン４のピッチＰの整数倍でない値とすることができるものと説明したが、これは、光学系１１が正立光学系として構成されることで初めて実現できるものである。以下でその原理について説明する。

光学系１１が倒立光学系として構成される場合を想定すると、レンズアレイを構成するレンズの境界における回折格子の受光面での像は不連続となる。そのため、この場合には、特許文献１及び２に記載されるようにレンズアレイのレンズの測定方向の幅（配置ピッチ）を回折格子の整数倍という特定の値にする必要がある。レンズアレイのレンズの測定方向の幅（配置ピッチ）が回折格子の整数倍ではない場合、回折格子の光透過部（反射部）又は不透過部（非反射部）の測定方向における中途半端な位置での像がレンズ境界での像として結像することとなる。つまり、レンズ境界の像の位相が不連続となるので、エンコーダの位置検出精度が悪化してしまう。

これに対し、本実施の形態にかかる光学系１１は正立光学系であるため、レンズアレイを構成するレンズの境界における回折格子の受光面での像は、当然に連続となる。そのため、レンズアレイのレンズの測定方向の幅（配置ピッチ）が回折格子の整数倍ではなく、回折格子の光透過部（反射部）又は不透過部（非反射部）の測定方向における中途半端な位置での像がレンズ境界での像として結像することとなっても、回折格子の像の位相は連続的となる。よって、回折格子を正確に反映した像が受光面に結像することとなる。以上、光学系１１を正立光学系として構成することで、レンズアレイピッチＡＧを格子パターン４のピッチＰの整数倍でない値とできることが理解できよう。

実施の形態２
本発明の実施の形態２にかかるエンコーダについて説明する。実施の形態２にかかるエンコーダ２００は、実施の形態１にかかるエンコーダ１００の光学系１１を光学系２１に置換し、受光部１２を受光部２２に置換した構成を有する。

図５は、実施の形態２にかかる光学系２１及び受光部２２の構成を示す図である。まず、光学系２１について説明する。光学系２１は、光の照射方向（すなわち、Ｚ方向）に並んで配置された、３つのレンズアレイ２３〜２５（それぞれ、第１〜第３のレンズアレイとも称する）を有する縮小正立光学系として構成される。レンズアレイ２３〜２５は、スケール１側から、レンズアレイ２３、レンズアレイ２４、レンズアレイ２５の順に配置される。

レンズアレイ２３は、レンズ２３ＡがＸ方向に並んで配列される。レンズ２３Ａは、Ｘ−Ｚ平面における断面のスケール１の側が凸である平凸レンズ状の形状であり、Ｙ−Ｚ平面における断面が矩形（不図示）である、シリンドリカルレンズとして形成される。レンズアレイ２４は、レンズ２４ＡがＸ方向に並んで配列される。レンズアレイ２５は、レンズ２５ＡがＸ方向に並んで配列される。レンズ２４Ａ及び２５Ａは、レンズ２３Ａと同様に、Ｘ−Ｚ平面における断面がスケール１の側が凸である平凸レンズ状の形状であり、Ｙ−Ｚ平面における断面が矩形（不図示）である、シリンドリカルレンズとして形成される。

本実施の形態では、レンズ２３Ａ、２４Ａ及び２５Ａは、各々焦点距離がｆであり、かつ、レンズ２３Ａ、２４Ａ及び２５Ａの順にＸ方向の大きさが小さくなるように構成される。つまり、レンズアレイ２３〜２５のレンズアレイピッチＡＧ２３〜ＡＧ２５（それぞれ、第１〜第３のピッチとも称する）は、スケール１のピッチＰの整数倍とならないように、かつ、ＡＧ２３＞ＡＧ２４＞ＡＧ２５となるように構成される。

本実施の形態では、格子パターン４とレンズアレイ２３との間の距離、及び、レンズアレイ２４とレンズアレイ２５との間の距離は、Ｄ１である。レンズアレイ２３とレンズアレイ２４との間の距離、及び、レンズアレイ２５と受光部２２の受光面との間の距離は、Ｄ２である。距離Ｄ１と距離Ｄ２とは、それぞれ以下の式（１）及び（２）で示されるように設定される。

これにより、光学系１１は、１／２倍正立光学系として構成されることとなる。この場合も、図５に示すように、ＡＧ２３〜ＡＧ２５≠ｋＰであるにもかかわらず、受光部２２の受光面における格子パターン４の像である干渉縞ＦＰには位相差が生じない。その結果、受光部２２の受光面には、格子パターン４の明暗を反映した干渉縞ＦＰが生じる。

一方、ＡＧ２３〜ＡＧ２５≠ｋＰであるので、レンズアレイによる収差の繰り返し周期は、格子パターン４のピッチＰの整数倍とは一致しない。従って、実施の形態１と同様に、干渉縞ＦＰの明部に影響する収差の大きさが不均一となる。その結果、縮小正立光学系を用いた場合においても、干渉縞全体でみた場合の収差の影響を平均化することが可能となる。

更に、実施の形態１及び２を併せて検討するならば、光学系がＮ（Ｎは、正の実数）倍の正立光学系である場合、受光素子アレイの受光素子の配列ピッチは、格子パターンの配列ピッチＰの１／４Ｎとすればよいことが理解できる。

実施の形態３
本発明の実施の形態３にかかるエンコーダについて説明する。実施の形態３にかかるエンコーダ３００は、実施の形態１にかかるエンコーダ１００の光学系１１を光学系３１に置換した構成を有する。

図６は、実施の形態３にかかる光学系３１の構成を示す図である。光学系３１は、両側テレセントリックの１倍正立光学系として構成される。光学系３１は、光の照射方向（すなわち、Ｚ方向）に並んで配置された、４つのレンズアレイ３３〜３６（それぞれ、第４〜第７のレンズアレイとも称する）を有する。

レンズアレイ３３は、レンズ３３ＡがＸ方向に並んで配列される。レンズ３３Ａは、Ｘ−Ｚ平面における断面のスケール１の側が凸である平凸レンズ状の形状であり、Ｙ−Ｚ平面における断面が矩形（不図示）である、焦点距離ｆのシリンドリカルレンズとして形成される。レンズアレイ３３は、スケール１から受光部１２側に焦点距離ｆだけ離れた位置に配置される。

レンズアレイ３４は、レンズ３４ＡがＸ方向に並んで配列される。レンズ３４Ａは、Ｘ−Ｚ平面における断面の受光部１２の側が凸である平凸レンズ状の形状であり、Ｙ−Ｚ平面における断面が矩形（不図示）である、焦点距離ｆのシリンドリカルレンズとして形成される。レンズアレイ３４は、レンズアレイ３３から受光部１２側に焦点距離ｆの２倍（２ｆ）だけ離れた位置に配置される。

図６に示すように、レンズアレイ３３とレンズアレイ３４とからなるレンズ群（前側レンズ群）は、−１倍倒立光学系である両側テレセントリック光学系を構成する。

レンズアレイ３５は、レンズ３５ＡがＸ方向に並んで配列される。レンズ３５Ａは、レンズ３３Ａと同様に、Ｘ−Ｚ平面における断面のスケール１の側が凸である平凸レンズ状の形状であり、Ｙ−Ｚ平面における断面が矩形（不図示）である、焦点距離ｆのシリンドリカルレンズとして形成される。レンズアレイ３５は、レンズアレイ３４から受光部１２側に焦点距離ｆの２倍（２ｆ）だけ離れた位置に配置される。

レンズアレイ３６は、レンズ３６ＡがＸ方向に並んで配列される。レンズ３６Ａは、Ｘ−Ｚ平面における断面の受光部１２の側が凸である平凸レンズ状の形状であり、Ｙ−Ｚ平面における断面が矩形（不図示）である、焦点距離ｆのシリンドリカルレンズとして形成される。レンズアレイ３６は、レンズアレイ３５から受光部１２側に焦点距離ｆの２倍（２ｆ）だけ離れた位置に配置される。なお、レンズアレイ３６と受光部１２受光面との間の距離は、焦点距離ｆと等しい。

図６に示すように、レンズアレイ３５とレンズアレイ３６とからなるレンズ群（後側レンズ群）は、−１倍倒立光学系である両側テレセントリック光学系を構成する。

以上より、光学系３１は、２つの−１倍倒立光学系である前側レンズ群（レンズアレイ３３及び３４）及び後側レンズ群（レンズアレイ３５及び３６））を直列に配置したことにより、１倍正立光学系として構成される。よって、ＡＧ≠ｋＰであるにもかかわらず、実施の形態１と同様に、受光部１２の受光面における格子パターン４の像（すなわち、干渉縞）には位相差が生じない。その結果、受光部１２の受光面には、格子パターン４の明暗を反映した干渉縞ＦＰが生じる。

一方、ＡＧ≠ｋＰであるので、レンズアレイによる収差の繰り返し周期（すなわちＡＧ）は、格子パターン４のピッチＰの整数倍とは一致しない。従って、実施の形態１と同様に、干渉縞ＦＰの明部に影響する収差の大きさが不均一となる。その結果、干渉縞全体でみた場合の収差の影響が平均化される。

実施の形態４
本発明の実施の形態４にかかるエンコーダについて説明する。実施の形態４にかかるエンコーダ４００は、実施の形態３にかかるエンコーダ３００の変形例である。図７は、実施の形態４にかかるエンコーダ４００の光学系４１の構成を示す図である。光学系４１は、実施の形態３にかかる光学系３１にアパーチャ４２を追加した両側テレセントリックの１倍正立光学系として構成される。

アパーチャ４２は、レンズアレイ３３及びレンズアレイ３４の中間に配置され、レンズ３３Ａとレンズ３４Ａの光軸上に開口を有するように構成される。ここでは、アパーチャ４２の開口の幅をＷとする。この場合、物体側及び結像側の開口数ＮＡは以下の式（３）で表される。

また、光ＰＬの波長をλとすると、エンコーダ４００の焦点深度ＤＯＦは、以下の式（４）で表される。

本構成によれば、スケール１と光学系４１との間の距離が変動し、光学系４１と受光部１２との間の距離が変動しても、受光部１２が検出する干渉縞のピーク強度の変動を抑制することができる。

本実施の形態では、アパーチャの挿入位置は変更することが可能である。以下、エンコーダ４００の変形例について説明する。エンコーダ４００の一変形例であるエンコーダ４０１は、エンコーダ４００の光学系４１を光学系５１に置換した構成を有する。

図８は、実施の形態４にかかるエンコーダ４００の変形例であるエンコーダ４０１の光学系５１の構成を示す図である。光学系５１は、光学系４１のアパーチャ４２を除去し、アパーチャ５２を追加した構成を有する。アパーチャ５２は、レンズアレイ３５及びレンズアレイ３６の中間に配置され、レンズ３５Ａとレンズ３６Ａの光軸上に開口を有するように構成される。ここでは、アパーチャ５２の開口の幅をＷとする。エンコーダ４０１における物体側及び結像側の開口数ＮＡと焦点深度ＤＯＦは、エンコーダ４００と同様であるので、説明を省略する。

本構成によれば、エンコーダ４００と同様に、スケール１と光学系５１との間の距離が変動し、光学系５１と受光部１２との間の距離が変動しても、受光部１２が検出する干渉縞のピーク強度の変動を抑制することができる。

更に、エンコーダ４００の他の変形例について説明する。エンコーダ４００の他の変形例であるエンコーダ４０２は、エンコーダ４００の光学系４１を光学系６１に置換した構成を有する。

図９は、実施の形態４にかかるエンコーダ４００の変形例であるエンコーダ４０２の光学系６１の構成を示す図である。光学系６１は、光学系４１のアパーチャ４２と光学系５１のアパーチャ５２とを有する。アパーチャ４２はエンコーダ４００と同様であり、アパーチャ５２はエンコーダ４０１と同様であるので、それぞれ説明を省略する。

本構成によれば、エンコーダ４００及び４０１と同様に、スケール１と光学系６１との間の距離が変動し、光学系６１と受光部１２との間の距離が変動しても、受光部１２が検出する干渉縞のピーク強度の変動を抑制することができる。

その他の実施の形態
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、上述のエンコーダは、透過型の光学式エンコーダとして説明したが、反射型の光学式エンコーダにも適用することができる。この場合、スケールの格子パターンの光透過部を反射部に、不透過部を非反射部に置換すればよい。また、受光部を、スケール１に対して光源７の側に配置すればよい。

上述の実施の形態では、受光部は４相信号を出力するように構成されるものとして説明したが、４相以外の任意の相数の信号を出力するように構成されてもよい。

上述の実施の形態では、スケールに設けられた格子パターンで構成されるインクリメンタルパターンの例について説明したが、これは例示に過ぎない。例えば、スケール設けられる格子パターンではないパターン（例えば、光透過部及び不透過部がランダムに配置されたアブソリュートパターン）についても、本発明を同様に適用できることはいうまでもない。

また、本発明のエンコーダは、リニアエンコーダに限定されるものではなく、ロータリーエンコーダにも適用できることはいうまでもない。

ＡＢＥ 収差
ＡＧ、ＡＧ２３〜ＡＧ２５ レンズアレイピッチ
ＦＰ 干渉縞
Ｐ ピッチ
ＰＬ 光
１、７１ スケール
２ 検出ヘッド
３ 演算部
４ 格子パターン
５、７１Ａ 光透過部
６、７１Ｂ 不透過部
７ 光源
１１、２１、３１、４１、５１、６１ 光学系
１２、２２、３２、 受光部
１２Ａ〜１２Ｄ 受光素子
１３〜１５、２３〜２５、３３〜３６、７２ レンズアレイ
１３Ａ〜１５Ａ、２３Ａ〜２５Ａ、３３Ａ〜３６Ａ、７２Ａ レンズ
４２、５２ アパーチャ
７３ 受光面
１００、２００、３００、４００、４０１、４０２ エンコーダ

Claims (13)

1. 測定方向に配列されたパターンを有するスケールと、
   前記スケールに対して前記測定方向に相対的に移動可能であり、前記パターンの検出結果を示す電気信号を出力する検出ヘッドと、
   前記電気信号から前記スケールに対する前記検出ヘッドの相対的な移動量を算出する演算部と、を備え、
   前記検出ヘッドは、
   前記スケールに光を照射する光源と、
   前記測定方向に配列された受光素子アレイを有し、前記受光素子アレイに照射される光の検出結果を前記電気信号として出力する受光部と、
   前記測定方向に配列されたレンズアレイによって前記スケールからの光を前記受光部の受光面に干渉縞として結像させる正立光学系である光学系と、を備え、
   前記レンズアレイの隣接するレンズ間のピッチは、前記パターンのピッチの整数倍ではない値である、
   エンコーダ。
2. 前記光学系は、１倍正立光学系である、
   請求項１に記載のエンコーダ。
3. 前記光学系は、
   前記スケールに対して前記光の照射方向に隣接して配置された第１のレンズアレイと、
   前記第１のレンズアレイに対して前 記受光部側に配置された第２のレンズアレイと、
   前記第２のレンズアレイに対して前記受光部側に配置された第３のレンズアレイと、を備え、
   前記第１〜第３のレンズアレイを構成するレンズ間の前記測定方向のピッチは同じである、
   請求項２に記載のエンコーダ。
4. 前記スケールと前記第１のレンズアレイとの間の距離、前記第１のレンズアレイと前記第２のレンズアレイとの間の距離、前記第２のレンズアレイと前記第３のレンズアレイとの間の距離、及び、前記第３のレンズアレイと前記受光部の前記受光面との間の距離は、前記第１〜第３のレンズアレイを構成するレンズの焦点距離の２倍と等しい、
   請求項３に記載のエンコーダ。
5. 前記光学系は、縮小正立光学系である、
   請求項１に記載のエンコーダ。
6. 前記光学系は、
   前記スケールに対して前記光の照射方向に隣接して配置された第１のレンズアレイと、
   前記第１のレンズアレイに対して前記受光部側に配置された第２のレンズアレイと、
   前記第２のレンズアレイに対して前記受光部側に配置された第３のレンズアレイと、を備え、
   前記第１のレンズアレイを構成するレンズ間の前記測定方向の第１のピッチは、前記第２のレンズアレイを構成するレンズ間の前記測定方向の第２のピッチよりも大きく、
   前記第２のピッチは、前記第３のレンズアレイを構成するレンズ間の前記測定方向の第３のピッチよりも大きい、
   請求項５に記載のエンコーダ。
7. 前記光学系は、１／２倍正立光学系であり、
   前記スケールと前記第１のレンズアレイとの間の距離、及び、前記第２のレンズアレイと前記第３のレンズアレイとの間の距離は、第１の距離Ｄ１であり、
   前記第１のレンズアレイと前記第２のレンズアレイとの間の距離、及び、前記第３のレンズアレイと前記受光部の前記受光面との間の距離は、第２の距離Ｄ２であり、
   前記第１〜第３のレンズアレイを構成するレンズの焦点距離がｆである場合、前記第１の距離Ｄ１及び前記第２の距離Ｄ２は、以下の式で表される、
   請求項６に記載のエンコーダ。
   

   
8. 前記第１〜第３のレンズアレイを構成するレンズは、前記光源の照射方向及び前記測定方向と直交する方向が長手方向であるシリンドリカルレンズである、
   請求項３、４、６及び７のいずれか一項に記載のエンコーダ。
9. 前記光学系は、
   前記スケールに対して前記光源の照射方向に隣接して配置された第４のレンズアレイと、
   前記第４のレンズアレイに対して前記受光部側に配置され、前記第４のレンズアレイと共に両側テレセントリック光学系を構成する第５のレンズアレイと、
   前記第５のレンズアレイに対して前記受光部側に配置された第６のレンズアレイと、
   前記第６のレンズアレイに対して前記受光部側に配置され、前記第６のレンズアレイと共に両側テレセントリック光学系を構成する第７のレンズアレイと、を備え、
   前記第４〜第７のレンズアレイを構成するレンズ間の前記測定方向のピッチは同じである、
   請求項２に記載のエンコーダ。
10. 前記スケールと前記第４のレンズアレイとの間の距離、及び、前記第７のレンズアレイと前記受光部の前記受光面との間の距離は、前記第４〜第７のレンズアレイを構成するレンズの焦点距離と等しく、
    前記第４のレンズアレイと前記第５のレンズアレイとの間の距離、前記第５のレンズアレイと前記第６のレンズアレイとの間の距離、及び、前記第６のレンズアレイと前記第７のレンズアレイとの間の距離は、前記第４〜第７のレンズアレイを構成するレンズの焦点距離の２倍と等しい、
    請求項９に記載のエンコーダ。
11. 前記第４〜第７のレンズアレイを構成するレンズは、前記光源の照射方向及び前記測定方向と直交する方向が長手方向であるシリンドリカルレンズである、
    請求項９又は１０に記載のエンコーダ。
12. 前記第４〜第７のレンズアレイを構成するレンズの光軸が通る位置に開口を有するアパーチャを更に備え、
    前記アパーチャは、前記第４のレンズアレイと前記第５のレンズアレイの間、及び、前記第６のレンズアレイと前記第７のレンズアレイの間の一方又は両方に挿入される、
    請求項９乃至１１のいずれか一項に記載のエンコーダ。
13. 前記光学系がＮ（Ｎは、正の実数）倍の正立光学系である場合、
    前記受光素子アレイでは、連続して配列される４つの受光素子が１つの領域を構成し、かつ、前記領域が前記測定方向に繰り返して配列され、
    前記受光素子アレイの受光素子の配列ピッチは、前記パターンの配列ピッチの１／４Ｎであり、
    前記領域の４つの受光素子は、それぞれＡ相、Ｂ相、Ａ−相及びＢ−相に対応する前記電気信号を出力する、
    請求項１乃至１２のいずれか一項に記載のエンコーダ。

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