JPH07198424A

JPH07198424A - エンコーダ装置

Info

Publication number: JPH07198424A
Application number: JP5353764A
Authority: JP
Inventors: Hideo Maeda; 英男前田
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1993-12-31
Filing date: 1993-12-31
Publication date: 1995-08-01
Anticipated expiration: 2016-08-20
Also published as: JP3199549B2

Abstract

(57)【要約】【目的】２つの回折格子のうちの少なくとも１つが移
動可能な構成において、光の波長が変化する場合にも、
感度を低下させることなく波長変化の影響を低減するこ
とができ、回折格子の移動に関する情報を精度良く測定
することの可能なエンコーダ装置を提供する。【構成】第１番目の回折格子５３からのｎ₁次光，ｍ₁
次光の第１回折光を第１番目の回折格子と僅かにピッチ
の異なる第２番目の回折格子５４で回折してｎ₂次光，
ｍ₂次光の第２回折光とし、該第２番目の回折格子５４
からのｎ₂次光，ｍ₂次光の間で干渉により干渉縞を発生
させ、前記第１番目の回折格子５３と第２番目の回折格
子５４の少なくとも一方の回折格子の移動に伴なって移
動する干渉縞に基づいて回折格子の移動に関する情報
を、干渉縞の方向に並置した２つの受光素子７ａ，７ｂ
で検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、精密測定装置，複写機
のドラム回転制御，スキャナ，インクジェットプリンタ
等に利用されるエンコーダ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１４は西独特許公開明細書第２，３１
６，２４８号に開示されているエンコーダ装置の構成図
である。図１４を参照すると、このエンコーダ装置は、
光源１０１と、光源１０１からの光をコリメ−トするレ
ンズ１０２と、レンズ１０２からのコリメ−ト光が入射
する２つの回折格子１０３，１０４と、集光レンズ１０
５と、受光素子１０６，１０７，１０７’とから構成さ
れている。

【０００３】ここで、２つの回折格子１０３，１０４
は、一方の回折格子１０３が固定で、他方の回折格子１
０４が矢印Ｒの方向に移動可能となっている（なお、以
後、回折格子１０３，回折格子１０４を、それぞれ固定
用回折格子，移動用回折格子と称す。)。また、このエ
ンコ−ダ装置では、回折格子１０３のピッチΛ₁と回折
格子１０４のピッチΛ₂とが互いに同じもの（Λ₁＝
Λ₂）となっている。

【０００４】このような構成のエンコーダ装置では、光
源１０１からの光をレンズ１０２によりコリメ−トし、
コリメ−ト光として先ず、固定用回折格子１０３に、次
いで、移動用回折格子１０４に入射させる。コリメ−ト
光が固定用回折格子１０３，移動用回折格子１０４に入
射することにより、固定用回折格子１０３と移動用回折
格子１０４とでは、それぞれ少なくとも±１次の回折光
が発生する。また、各回折格子１０３，１０４のピッチ
Λ₁，Λ₂がコリメ−ト光の波長よりも十分に大きいもの
であれば、さらに高次の回折光も発生する。

【０００５】図１５は各回折格子１０３，１０４から発
生する回折光を説明するための図である。図１５におい
て、±１次の回折光を例にとると、固定用回折格子１０
３で発生する＋１次光であって移動用回折格子１０４の
０次光（すなわち透過光）Ａは、レンズ１０５により集
光されて受光素子１０７に入射する。また、固定用回折
格子１０３で発生する０次光（すなわち透過光）であっ
て移動用回折格子１０４の＋１次光Ｂも、レンズ１０５
により集光されて受光素子１０７に入射する。この際、
移動用回折格子１０４が矢印Ｒの方向に移動するに伴な
い、移動用回折格子１０４で発生する０次光（透過光）
の位相は変化しないが、０次以外の回折光の位相が変化
する。すなわち、光Ａの位相は変化しないが、光Ｂの位
相が変化し、受光素子１０７上において、光Ａと光Ｂと
の干渉光の位相が変化する。

【０００６】ところで、このエンコ−ダ装置では、２つ
の回折格子１０３，１０４のピッチΛ₁，Λ₂が同じであ
ることにより、各次数の回折光の回折角は同じであり、
従って、上記光Ａと光Ｂとは移動用回折格子１０４を出
射した直後は完全に平行である。光Ａと光Ｂとを完全に
平行な状態のまま受光素子１０７に入射させて干渉させ
る場合には、干渉縞間隔が大き過ぎ、所定の大きさの受
光面をもつ受光素子１０７上に、移動用回折格子１０４
の移動量を検知するのに必要な干渉縞が現われない。

【０００７】このため、このエンコ−ダ装置では、集光
レンズ１０５を設け、移動用回折格子１０４を出射した
直後に平行となっている光Ａと光Ｂを集光レンズ１０５
により集光させて（非平行化して）、受光素子１０７に
入射させることで、受光素子１０７上に形成される光Ａ
と光Ｂとの干渉光の干渉縞の間隔を狭めている。これに
より、受光素子１０７として、その受光面の大きさが干
渉縞の間隔よりも小さいものを用いて、移動用回折格子
１０４の移動量を検知することができる。すなわち、移
動用回折格子１０４の移動に伴ない、受光素子１０７上
で干渉縞が移動すると、受光素子１０７で受光する光量
が正弦波状に変化するので、これに基づく受光素子１０
７からの出力により移動用回折格子１０４の移動量を検
知することができる。具体的には、移動用回折格子１０
４が１ピッチ移動すると、受光素子１０７からの出力
は、正弦波状に１周期変化し、この出力変化から移動用
回折格子１０４の移動量を検知できる。

【０００８】なお、上述の例では、＋１次光と０次光と
の組合せを用いたが、−１次光と０次光との組合せ（固
定用回折格子１０３で発生する−１次光であって移動用
回折格子１０４の０次光（透過光）Ｄと、固定用回折格
子１０３で発生する０次光（透過光）であって移動用回
折格子１０４の−１次光Ｃ）を用いる場合にも、上述し
たと同様にして受光素子１０７’において移動用回折格
子１０４の移動量を検知することができる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】この種のエンコーダ装
置に用いられる光源１０１としては、受光素子１０７の
ノイズや外光の入射などの影響を受けにくくするため、
出力の大きいものほど良いが、装置の小型化の要請上、
大型サイズのものを用いることはできない。このような
要求を満たす光源としては、半導体レ−ザ（ＬＤ）が適
している。

【００１０】しかしながら、半導体レ−ザは、波長の温
度依存性が高く、温度変化により波長が変化するという
問題があり、上述した従来のエンコ−ダ装置の光源１０
１に半導体レ−ザを用いると、その波長変化によって、
回折光の光路が変化し、受光素子１０７において移動用
回折格子１０４の移動量を検知することができなくなる
場合があった。すなわち、上述したエンコ−ダ装置にお
いて、２つの回折格子１０３，１０４で生じる同次数の
回折光（例えば＋１次光）を用いる場合、図１６に示す
ように、光源１０１からの光の波長が変化すると、２つ
の回折光Ａ，Ｂは、回折角が変化するので、Ａ’，Ｂ’
のように光路が変化する。この結果、回折光Ａ’，Ｂ’
は受光素子１０７から外れて、受光素子７からの出力が
変化したり、さらには、集光レンズ１０５にさえ入射し
なくなる場合がある。また、波長変化の影響を少なくす
るため、回折角を小さくすることも考えられるが、この
場合には、回折格子１０３，１０４のピッチΛ₁，Λ₂を
大きくする必要があり、エンコ−ダ装置の感度が低下す
るという問題が生ずる。

【００１１】本発明は、２つの回折格子のうちの少なく
とも１つが移動可能な構成において、光の波長が変化す
る場合にも、感度を低下させることなく波長変化の影響
を低減することができ、回折格子の移動に関する情報を
精度良く測定することの可能なエンコーダ装置を提供す
ることを目的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段および作用】上記目的を達
成するために、請求項１乃至請求項３記載の発明は、第
１番目の回折格子からのｎ₁次光，ｍ₁次光の第１回折光
を第１番目の回折格子と僅かにピッチの異なる第２番目
の回折格子で回折してｎ₂次光，ｍ₂次光の第２回折光と
し、該第２番目の回折格子からのｎ₂次光，ｍ₂次光の間
で干渉により干渉縞を発生させ、前記第１番目の回折格
子と第２番目の回折格子の少なくとも一方の回折格子の
移動に伴なって移動する干渉縞に基づいて回折格子の移
動に関する情報を検出するようにしている。これによ
り、光の波長変化の影響を低減することができ、さら
に、集光レンズを用いずとも所定間隔の干渉縞を発生さ
せることができて回折格子の移動量等を精度良く測定す
ることができる。さらに請求項１乃至請求項３記載の発
明は、前記第１番目の回折格子と前記第２番目の回折格
子の少なくとも一方の回折格子が複数の領域に分けられ
ており、各領域で回折格子ピッチの位相が互いに相違し
ているので、回折格子のずれによる干渉縞の傾きなどに
対して、検出誤りが生ずるのを著しく低減することがで
きる。

【００１３】さらに、請求項４記載の発明では、各領域
ごとに、前記干渉縞の垂直方向に配置された複数の受光
手段の組を用いて、回折格子の移動に関する情報を検出
するようになっており、複数の受光手段の組を用い、例
えば、これらの出力信号の差をとることで、バイアス成
分を除去することができ、アスペクト比の高い品質の良
い正弦波状信号を得ることができて、この信号を用いて
回折格子の移動量をより精度良く測定することができ
る。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。

【００１５】図１は本発明に係るエンコーダ装置の一実
施例の構成図である。図１を参照すると、このエンコー
ダ装置は、光源１と、光源１からの光をコリメ−トする
レンズ２と、レンズ２からのコリメ−ト光が入射する２
つの回折格子５３，５４と、２つの受光素子７ａ，７ｂ
とを有している。

【００１６】ここで、光源１には、半導体レーザやＬＥ
Ｄ等が用いられる。また、２つの回折格子５３，５４
は、格子面が互いに平行となるように配置され、また、
これらのピッチΛ₁，Λ₂は僅かに相違したものとなって
おり、例えば、第１番目の回折格子５３が固定(固定用
回折格子)，第２番目の回折格子５４が矢印Ｒの方向に
移動可能(移動用回折格子)となっている。このエンコー
ダ装置では、光源１からの光を固定用回折格子５３に入
射させて、ｎ₁次光（ｎ₁は数）とｍ₁次光（ｍ₁は整数）
の回折光（第１回折光）を発生させ、これらの第１回折
光を固定用回折格子５３とピッチが僅かに異なる移動用
回折格子５４に入射させて、ｎ₂次光（ｎ₂は整数），ｍ
₂次光（ｍ₂は整数）の回折光（第２回折光）を発生さ
せ、移動用回折格子５４からのｎ₂次光，ｍ₂次光との間
で干渉による干渉縞を発生させるように構成されてい
る。

【００１７】図２は、図１のエンコ−ダ装置において、
ｎ₁次光，ｍ₁次光に、それぞれ１次光，−１次光を用
い、また、ｎ₂次光，ｍ₂次光に、それぞれ−１次光，１
次光を用いる場合の構成例を示す図である。すなわち、
図２では、固定用回折格子５３で発生する＋１次光であ
って移動用回折格子５４での−１次光Ｅと、固定用回折
格子５３で発生する−１次光であって移動用回折格子５
４での＋１次光Ｆとを用いる場合が示されている。

【００１８】図２のエンコーダ装置では、先ず、光源１
からの光をレンズ２によりコリメ−トし、コリメ−ト光
として固定用回折格子５３に入射させると、固定用回折
格子５３からは第１回折光として、＋１次光と−１次光
とが発生する。このように発生した第１回折光としての
＋１次光，−１次光は移動用回折格子５４に入射し、第
１回折光である＋１次光に基づき移動用回折格子５４か
ら発生する第２回折光のうちの−１次光Ｅと、第１回折
光である−１次光に基づき移動用回折格子５４から発生
する第２回折光のうちの＋１次光Ｆとの干渉光による干
渉縞をコリメート光の光断面６０内に発生させるように
している。

【００１９】ところで、このエンコーダ装置では、固定
用回折格子５３のピッチΛ₁と移動用回折格子５４のピ
ッチΛ₂とが僅かに異なっているので、移動用回折格子
５４から上記のように発生する光Ｅと光Ｆとは平行では
なく、所定の角度を有しており、従って、集光レンズ等
を設けずとも、光断面６０内の所定位置に受光素子を配
置すれば、受光素子上において光Ｅと光Ｆとの干渉光に
よる干渉縞を発生させることができる。

【００２０】上記動作原理を図３を用いてより詳細に説
明する。説明を簡単にするため、コリメ−ト光が固定用
回折格子５３に垂直に入射するとすると、固定用回折格
子５３での回折条件は次式により表わされる。

【００２１】

【数１】ｓｉｎθ₁＝λ／Λ₁

【００２２】ここで、θ₁，Λ₁は固定用回折格子５３の
回折角，ピッチであり、λは光源１からの光（コリメー
ト光）の波長である。また、移動用回折格子５４での回
折条件は次式により表わされる。

【００２３】

【数２】−ｓｉｎθ₂＋ｓｉｎθ₁＝λ／Λ₂

【００２４】ここで、θ₂，Λ₂は移動用回折格子５４の
回折角，ピッチである。数１と数２とにより、移動用回
折格子５４の回折角θ₂について次式が導かれる。

【００２５】

【数３】ｓｉｎθ₂＝λ（１／Λ₁−１／Λ₂）

【００２６】また、光Ｅと光Ｆとのなす角度θはθ₂の
２倍であり、光Ｅと光Ｆとがこの角度θ（＝２θ₂）を
もつことにより、コリメート光の光断面６０内に干渉縞
が発生する。この干渉縞のピッチΛ₀と回折角θ₂の関係
は次式により表わされる。

【００２７】

【数４】ｓｉｎθ₂＝λ／（２Λ₀）

【００２８】数３と数４とを用いてΛ₁，Λ₂とΛ₀との
関係が次式のように求められる。

【００２９】

【数５】１／（２Λ₀）＝１／Λ₁−１／Λ₂

【００３０】数５から、干渉縞のピッチΛ₀は、固定用
回折格子５３のピッチΛ₁と移動用回折格子５４のピッ
チΛ₂とにだけ関係し、光源１からの光の波長λには全
く無関係となり、光源１に半導体レーザのような波長変
化の大きい光源が用いられる場合でも、その波長変化の
影響を受けない。

【００３１】また、図４に概略として示すように、コリ
メート光の径をＷ₀とし、光の径Ｗ₀を数５の右辺と左辺
とにそれぞれ乗算すると次式が得られる。

【００３２】

【数６】（Ｗ₀／Λ₀）／２＝Ｗ₀／Λ₁−Ｗ₀／Λ₂

【００３３】ここで、Ｗ₀／Λ₀は光径内に生じる干渉縞
の本数であり、Ｗ₀／Λ₁とＷ₀／Λ₂はそれぞれ固定用回
折格子５３と移動用回折格子５４における光径内の回折
格子本数である。すなわち、数６から次式が導かれる。

【００３４】

【数７】（干渉縞の本数）／２＝（固定用回折格子の本
数）−（移動用回折格子の本数）

【００３５】数７により、Λ₁とΛ₂を適切に設定するこ
とで任意の干渉縞本数を得ることができる。例えば、高
分解能化を目指し、Λ₁＝０．９４８μｍと非常に高密
度な回折格子を用いるときに、Λ₀＝１ｍｍと大きくと
るためには、Λ₂＝０．９４７６８μｍとなり、Λ₁とΛ
₂の違いは約０．０３％と非常に小さいものとなるが、
このようにピッチΛ₁とΛ₂とが僅かに異なる回折格子５
３，５４を作成することは可能である。この場合、コリ
メート光の光径を２ｍｍ程度のものにすると、干渉縞が
１本あるいは２本観測されることとなる。

【００３６】干渉縞は移動用回折格子５４の移動に従っ
て移動するので、干渉縞のピッチに比べて受光面の大き
さが小さい受光素子で干渉光を受光すれば、図５に示す
ような正弦波状信号が得られる。図２の構成のように、
１次光と−１次光とを用いれば、回折格子５４が１ピッ
チ移動するに従ってそれぞれに生じる位相差は逆方向に
発生し、正弦波信号は２周期分出力される。

【００３７】このように、このコリメータ装置では、干
渉縞のピッチΛ₀が光の波長と全く無関係であるので、
光源１からの光の波長が変動しても、移動量等の測定に
何ら影響を与えず、これにより、常に高精度の移動量を
安定して測定することができる。

【００３８】また、このエンコーダ装置では、固定用回
折格子５３のピッチΛ₁と移動用回折格子５４のピッチ
Λ₂とを僅かに相違させることにより、集光レンズによ
って光を集光せずとも、移動用回折格子５４からの光Ｅ
とＦとから直接干渉縞を生じさせることができて、移動
用回折格子５４の矢印Ｒの方向への移動に伴なう干渉縞
の移動，すなわち光Ｅと光Ｆとの干渉光の光量変化を、
集光レンズを設けない簡単な構成で得ることができて、
回折格子５４の移動量の測定が可能となる。また、コリ
メート光中に大きな干渉縞を発生できるので、受光素子
をこのコリメート光内の所定の位置に配置すれば良く、
集光レンズの集光位置に配置する場合に比べて、移動量
を精度良く測定するのに必要とされる受光素子の配置，
組付け調整が容易になる。

【００３９】ところで、この第１の実施例のエンコーダ
装置では、さらに、固定用回折格子５３，移動用回折格
子５４の少なくとも一方(例えば、いずれか一方)が、図
６(ａ)に示すように、２つの領域ｕ_a，ｕ_bに分けられて
いる。すなわち、各領域ｕ_a，ｕ_bは同じピッチΛ₁(また
はΛ₂)を有しているが、ピッチの位相が互いに異なって
いる。このようにすることによって、図６(ｂ)に示すよ
うに、コリメータ光の光断面６０内に各領域ｕ_a，ｕ_bに
対応した位相の異なる２種類の干渉縞Ｉ_a，Ｉ_b(各干渉
縞Ｉ_a，Ｉ_bのピッチはΛ₀)を発生させることができ、こ
の干渉縞Ｉ_a，Ｉ_bの縞方向Ｙに２つの受光素子(例えば
フォトダイオード等)７ａ，７ｂを並べて配置し、各受
光素子７ａ，７ｂから所定の信号をそれぞれ得るように
している。

【００４０】ここで、受光素子７ａ，７ｂは干渉縞の間
隔よりも小さい受光面を有している。また、２つの領域
ｕ_a，ｕ_bの回折格子ピッチの位相差β₁は、２π／(４｜
ｎ−ｍ｜)であるのが良い。なお、ｎ，ｍは、領域が分
離されている回折格子の回折次数である。例えば、固定
用回折格子５３が２つの領域に分けられているとする
と、ｎ，ｍはそれぞれｎ₁，ｍ₁である。また、移動用回
折格子５４が２つの領域に分けられているとすると、
ｎ，ｍはそれぞれｎ₂，ｍ₂である。従って、図２の構成
のように、固定用回折格子５３の１次光と−１次光を用
い(ｎ₁＝１，ｍ₁＝−１)また、移動用回折格子５４の−
１次光と１次光とを用いるとした場合(ｎ₂＝−１，ｍ₂
＝１)において、移動用回折格子５４を２つの領域に分
けるときには、回折格子ピッチの位相差β₁を２π／８
に設定するのが良い。

【００４１】また、移動用回折格子５４の−１次光と１
次光を用いるときには、回折格子５４の各領域ｕ_a，ｕ_b
の位相差β₁に対して、干渉縞Ｉ_a，Ｉ_bの位相差β₀は、
次式のようになる。すなわち、移動用回折格子５４の−
１次光と１次光を用いる場合には、移動用回折格子５４
の位相のずれに対して干渉縞の位相のずれが１−(−１)
＝２倍となることから、次式が導き出される。

【００４２】

【数８】β₀＝２β₁

【００４３】従って、移動用回折格子５４において、各
領域Ｉ_a，Ｉ_bのピッチの位相差β₁が上述のように２π
／８に設定されているときには、干渉縞Ｉ_a，Ｉ_bのピッ
チの位相差β₀は、２π／４となり、各受光素子７ａ，
７ｂからは、干渉縞のピッチが１／４ずれた９０°の位
相差をもつ２つの正弦波信号(すなわち、Ａ相信号，Ｂ
相信号)をそれぞれ得ることができる。これにより、９
０゜の位相差をもつＡ相信号，Ｂ相信号を方向弁別信号
として回折格子の移動方向の検出に用いることができ、
また、Ａ相信号とＢ相信号との差をとることで、この差
信号を実際の移動距離の測定に用いることができる。そ
して、移動距離の測定に差信号を用いることによって、
品質の良い正弦波を得ることができ、高精度に移動量を
測定することができる。すなわち、図１，図２の構成で
は、回折格子５４の移動に関する情報として、移動方向
を弁別する信号と移動量を測定するための信号とを高精
度に得ることができる。

【００４４】なお、上記のようなＡ相信号，Ｂ相信号
は、本願出願人の先願(特願平５−１１５３００号)に記
載のエンコーダ装置においても実現できる。例えば、図
７に示すように、干渉縞の明暗の間隔の半分の間隔（干
渉縞のピッチの４分の１）をへだてて２つの受光素子５
８，５９を配置することも可能である。すなわち、一方
の受光素子５８を例えば明の部分に配置し、他方の受光
素子５９を明と暗との中間位置（光径の中間位置）に配
置することも可能である。しかしながら、この先願に記
載のエンコーダ装置では、１つの干渉縞からＡ相，Ｂ相
を検出するため、干渉縞がずれた場合には、Ａ相，Ｂ相
の位相がずれ易く、移動方向についての検出誤りが発生
しやすいという問題がある。

【００４５】これに対して、本実施例では、回析格子５
３または５４の領域を２つに分けて２つの干渉縞Ｉ_a，
Ｉ_bを発生させ、２つの受光素子７ａ，７ｂを干渉縞の
方向Ｙに並べて配置し、受光素子７ａ，７ｂにおいて２
つの干渉縞Ｉ_a，Ｉ_bからＡ相，Ｂ相の信号を直接得るよ
うにしているので、回析格子５３または５４のずれによ
る干渉縞の傾きなどに対して、検出誤りを少なくするこ
とができ、特に、Ａ相信号，Ｂ相信号の位相がずれにく
く、移動方向についての検出誤りが発生するのを著しく
低減することができる。

【００４６】なお、図２の例においては、±１次光のみ
を用いており、±１次光は、回折効率が高いこと、ま
た、２次光以上の光に比べてノイズが少ないことなどに
より、±１次光を用いることは、高次光を用いる場合に
比べて優れている。しかしながら、回折格子を用いる型
式のエンコーダ装置においては、分解能は回折角に比例
するので、分解能を高めるためにさらに高次光をも用い
ることが望まれる場合もある。

【００４７】本発明は、図２の例のように±１次光のみ
を用いる場合に限定されず、さらに高次光を用いる場合
にも拡張可能である。すなわち、図８に示すように、固
定用回折格子５３で発生するｎ₁次光であって移動用回
折格子５４のｎ₂次光と、固定用回折格子５３で発生す
るｍ₁次光であって、移動用回折格子５４のｍ₂次光とを
回折格子５４の移動に関する情報（移動量や移動方向な
ど）を得るために用いることもできる。

【００４８】この場合、固定用回折格子５３での回折条
件は次式により表わされる。

【００４９】

【数９】ｓｉｎθ₁₁＝ｎ₁λ／Λ₁ ｓｉｎθ₁₂＝ｍ₁λ／Λ₁

【００５０】また、移動用回折格子５４での回折条件は
次式により表わされる。

【００５１】

【数１０】−ｓｉｎθ₂₁＋ｓｉｎθ₁₁＝ｎ₂λ／Λ₂ −ｓｉｎθ₂₂＋ｓｉｎθ₁₂＝ｍ₂λ／Λ₂

【００５２】数９と数１０とにより、次式が導かれる。

【００５３】

【数１１】ｓｉｎθ₂₁＝λ（ｎ₂／Λ₂−ｎ₁／Λ₁）ｓｉｎθ₂₂＝λ（ｍ₂／Λ₂−ｍ₁／Λ₁）

【００５４】また、θ₂₁とθ₂₂の角度の光による干渉縞
のピッチは次式で表される。

【００５５】

【数１２】Λ₀＝λ／（ｓｉｎθ₂₁＋ｓｉｎθ₂₂）

【００５６】数１１と数１２とを用いてΛ₁，Λ₂とΛ₀
との関係が次式のように求められる。

【００５７】

【数１３】Λ₀＝１／［（ｎ₂＋ｍ₂）／Λ₂−（ｎ₁＋
ｍ₁）／Λ₁］

【００５８】数１３から、高次光を用いる場合にも、±
１次光を用いる場合と同様に、干渉縞のピッチΛ₀は、
固定用回折格子５３のピッチΛ₁と移動用回折格子５４
のピッチΛ₂とにだけ関係し、光源からの光の波長には
全く無関係となり、光源１に半導体レーザのような波長
変化の大きい光源が用いられる場合でも、その波長変化
の影響を受けない。

【００５９】なお、高次光の選び方としては、２つの回
折格子５３，５４からの２つの出射光がほぼ平行になら
なければならないので、固定用回折格子５３でのｎ₁次
光であって移動用回折格子４でのｍ₁次光と、固定用回
折格子５３でのｎ₂次光であって移動用回折格子４での
ｍ₂次光との干渉では、次式を満たさなければならな
い。

【００６０】

【数１４】ｎ₁＋ｍ₁＝ｎ₂＋ｍ₂

【００６１】例えば、固定用回折格子５３での１次光で
あって移動用回折格子５４での０次光と、固定用回折格
子５３での−２次光であって移動用回折格子５４での３
次光との干渉では、“１＋０＝−２＋３”であり、数２
４の条件を満たしているので使用できる。

【００６２】また、このように、移動用回折格子５４の
高次光を用いる場合、回折格子の領域ｕ_a，ｕ_bの位相差
β₁に対して、干渉縞の位相差β₀は次式のようになる。
すなわち、移動用回折格子５４のｎ₂次光とｍ₂次光を用
いる場合には、移動用回折格子５４の位相のずれに対し
て干渉縞の位相のずれが(ｎ₂−ｍ₂)倍となることから次
式が導き出される。

【００６３】

【数１５】β₀＝(ｎ₂−ｍ₂)β₁

【００６４】このことからわかるように、高次光を用い
る場合には、１次光のみを用いる場合に比べて、感度を
(ｎ₂−ｍ₂)／２倍に向上させることができる。

【００６５】ところで、図１のエンコーダ装置では、各
受光素子７ａ，７ｂから得られる正弦波状信号は、図９
に示すように、バイアス成分ｔ₁が重畳した波形である
ので、このままでは読み取りが誤りやすい。換言すれ
ば、この種の正弦波状信号は、谷と山の比（ｔ₂／ｔ₁；
アスペクト比）が大きいほど品質が良いが、１つの受光
素子７ａまたは７ｂからの正弦波状信号は、バイアス成
分ｔ₁をもつため、この正弦波状信号は良質のものとな
っていない。

【００６６】そこで、図１０に示すように光を重ねた光
径（図では円とする）中に干渉縞の明暗を１個ずつ発生
させたときに、受光素子７ａ，７ｂの各々に対して、干
渉縞の明暗に相当する間隔（干渉縞のピッチΛ₀の半分
Λ₀／２）をへだてて、さらに、受光素子８ａ，８ｂを
配置し、受光素子７ａと受光素子８ａの出力の差，受光
素子７ｂと受光素子８ｂの出力の差をとるような構成と
することもできる。

【００６７】図１１は、図１０の構成において、回折格
子５３または５４の一方の領域，例えばｕ_aにおける受
光素子７ａの出力信号ａ１，受光素子８ａの出力信号ａ
２，２つの受光素子７ａ，８ａの出力の差信号（ａ１−
ａ２）をそれぞれ示す図である。図１１からわかるよう
に、受光素子７ａ，８ａは、干渉縞のピッチの半分の間
隔で配置されているので、受光素子７ａ，８ａの出力信
号ａ１，ａ２は、１８０゜の位相差となり、従って、受
光素子７ａ，８ａの出力ａ１，ａ２の差をとり差信号
（ａ１−ａ２）とすることにより、バイアス成分ｔ₁を
除去することができ、アスペクト比の高い良好な正弦波
状信号を得ることができる。受光素子７ａ，８ａの出力
の差信号（ａ１−ａ２）と受光素子７ｂ，８ｂの出力の
差信号（ｂ１−ｂ２）とは、図１２に示すようになり、
（ａ１−ａ２），（ｂ１−ｂ２）を最終的な出力とする
ことによって、９０゜の位相差をもつ良好なＡ相信号，
Ｂ相信号を得ることができて、より高精度に移動量を測
定することができる。また、この場合に、図１３に示す
ように、受光素子７ａ，８ａ；７ｂ，８ｂの幅Ｈを小さ
くすることにより、バイアス成分ｔ₁をさらに小さくす
ることができ、差信号の振幅を大きくすることができ
て、より一層、完全に近い良質な正弦波状信号を得るこ
とができる。但し、幅Ｈを小さくすると、受光量も減少
するので、受光素子７ａ，８ａ；７ｂ，８ｂの幅Ｈにつ
いては、用途等に応じ、適当なものに設計するのが良
い。また、上述の例では、干渉縞の明暗に相当する間隔
（干渉縞のピッチの半分）をへだてて受光素子７ａ，８
ａ；７ｂ，８ｂを配置したが、このような配置例に限ら
ず、種々の変形も可能である。

【００６８】また、上述したエンコーダ装置では、第１
番目の回折格子５３を固定し、第２番目の回折格子５４
を移動用としたが、第１番目の回折格子５３を移動用と
し（すなわち移動用回折格子とし）、第２番目の回折格
子５４を固定（すなわち固定用回折格子）とすることも
できる。

【００６９】さらには、第１番目の回折格子５３と第２
番目の回折格子５４との両方を移動用とし、第１番目の
回折格子５３と第２番目の回折格子５４との相対的な移
動量等を測定するよう構成することも可能である。

【００７０】また、本発明は、光源１からの光を回折格
子に垂直入射させる場合に限定されず、垂直に入射させ
ない場合であっても適用可能である。

【００７１】また、上述の実施例では、干渉縞の間隔よ
りも小さい受光面を有する受光素子を用いたが、受光素
子のかわりに、干渉縞の間隔よりも小さい径の孔のピン
ホールを用いても良い。さらには、位相の異なる２種類
の干渉縞をＣＣＤで受光して位相を検出することもでき
る。

【００７２】また、上述の実施例では、回折格子３，回
折格子４の少なくとも一方は、２つの領域ｕ_a，ｕ_bに分
けられるとして説明したが、さらに２以上の複数の領域
に分けることも可能である。

【００７３】

【発明の効果】以上に説明したように、請求項１乃至請
求項３記載の発明によれば、第１番目の回折格子からの
ｎ₁次光，ｍ₁次光の第１回折光を第１番目の回折格子と
僅かにピッチの異なる第２番目の回折格子で回折してｎ
₂次光，ｍ₂次光の第２回折光とし、該第２番目の回折格
子からのｎ₂次光，ｍ₂次光の間で干渉により干渉縞を発
生させ、前記第１番目の回折格子と第２番目の回折格子
の少なくとも一方の回折格子の移動に伴なって移動する
干渉縞に基づいて回折格子の移動に関する情報を検出す
るようにしているので、光の波長変化の影響を低減する
ことができ、さらに、集光レンズを用いずとも所定間隔
の干渉縞を発生させることができて回折格子の移動量等
を精度良く測定することができる。さらに、前記第１番
目の回折格子と前記第２番目の回折格子の少なくとも一
方の回折格子は複数の領域に分けられており、各領域で
回折格子ピッチの位相が互いに相違しているので、回折
格子のずれによる干渉縞の傾きなどに対して、検出誤り
が生ずるのを著しく低減することができる。

【００７４】また、請求項４記載の発明によれば、さら
に、各領域ごとに、前記干渉縞の垂直方向に配置された
複数の受光手段の組を用いて、回折格子の移動に関する
情報を検出するようになっており、複数の受光手段の組
を用い、例えば、これらの出力信号の差をとることで、
バイアス成分を除去することができ、アスペクト比の高
い品質の良い正弦波状信号を得ることができて、この信
号を用いて回折格子の移動量をより精度良く測定するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るエンコーダ装置の一実施例の構成
図である。

【図２】図１のエンコーダ装置において、２つの回折格
子からの±１次光を用いる場合の構成を示す図である。

【図３】図２に示す構成のエンコーダ装置の動作原理を
説明するための図である。

【図４】図２に示す構成のエンコーダ装置により発生す
る干渉縞を説明するための図である。

【図５】図２に示す構成のエンコーダ装置の受光素子か
ら出力される信号を示す図である。

【図６】(ａ)は図１，図２のエンコーダ装置の回析格子
の構成例を示す図、(ｂ)は干渉縞の発生例を示す図であ
る。

【図７】干渉縞のピッチの４分の１の間隔をへだてて２
つの受光素子が配置されているエンコーダ装置の構成例
を示す図である。

【図８】図１のエンコーダ装置において、２つの回析格
子からの高次光を用いる場合の構成を示す図である。

【図９】図１の構成のエンコーダ装置の各受光素子から
の出力信号を示す図である。

【図１０】干渉縞の方向に並置された受光素子の各々に
対し、干渉縞のピッチの半分を隔てて、さらに受光素子
が配置されているエンコーダ装置の構成例を示す図であ
る。

【図１１】図１０の構成のエンコーダ装置の一方の領域
における受光素子からの出力信号を示す図である。

【図１２】図１０のエンコーダ装置の最終的な出力信号
を示す図である。

【図１３】図１０のエンコーダ装置において、各受光素
子の幅を小さくした状態を示す図である。

【図１４】従来のエンコーダ装置の構成例である。

【図１５】図１４のエンコーダ装置の２つの回折格子か
ら発生する回折光を説明するための図である。

【図１６】図１４のエンコーダ装置の２つの回折格子か
ら発生する回折光を説明するための図である。

【符号の説明】１光源２レンズ５３第１番目の回折格子５４第２番目の回折格子７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂ受光素子ｕ_a，ｕ_b 回折格子の領域

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源と、光源からの光を回折してｎ₁次
光（ｎ₁は整数）とｍ₁次光（ｍ₁は整数）の第１回折光
を発生させる第１番目の回折格子と、該第１番目の回折
格子とピッチが僅かに異なっており、前記第１番目の回
折格子からのｎ₁次光，ｍ₁次光の第１回折光を回折し
て、それぞれｎ₂次光（ｎ₂は整数），ｍ₂次光(ｍ₂は整
数)の第２回折光を発生させる第２番目の回折格子と、
該第２番目の回折格子からのｎ₂次光，ｍ₂次光の間で干
渉により干渉縞を発生させ、前記第１番目の回折格子と
第２番目の回折格子の少なくとも一方の回折格子の移動
に伴なって移動する干渉縞に基づいて回折格子の移動に
関する情報を検出する移動情報検出手段とを有してお
り、前記第１番目の回折格子と前記第２番目の回折格子
の少なくとも一方の回折格子は複数の領域に分けられて
おり、各領域で回折格子ピッチの位相が互いに相違して
いることを特徴とするエンコーダ装置。
【請求項２】請求項１記載のエンコーダ装置におい
て、前記第１番目の回折格子と前記第２番目の回折格子
の少なくとも一方の回折格子は、２つの領域に分けられ
ており、２つの領域に分割されている方の回折格子の回
折次数をｎ，ｍとするとき、各領域で回折格子ピッチの
位相は、２π／(４｜ｎ−ｍ｜)で相違していることを特
徴とするエンコーダ装置。
【請求項３】請求項１記載のエンコーダ装置におい
て、前記干渉縞は、前記複数の領域の各々について所定
の位相差で複数種類発生し、この場合、前記移動情報検
出手段は、前記複数の領域の各々について、位相の異な
る複数種類の干渉縞を該干渉縞の方向に並置した受光手
段で受光し、回折格子の移動に関する情報を検出するよ
うになっていることを特徴とするエンコーダ装置。
【請求項４】請求項３記載のエンコーダ装置におい
て、前記受光手段に対し、前記干渉縞の方向と垂直の方
向に、さらに、他の受光手段を配置し、各領域ごとに、
前記干渉縞の垂直方向に配置された複数の受光手段の組
を用いて、回折格子の移動に関する情報を検出するよう
になっていることを特徴とするエンコーダ装置。