JPH074993A

JPH074993A - エンコーダ装置

Info

Publication number: JPH074993A
Application number: JP6072654A
Authority: JP
Inventors: Hideo Maeda; 英男前田
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1993-03-23
Filing date: 1994-03-16
Publication date: 1995-01-10
Also published as: US5579111A

Abstract

(57)【要約】【目的】被測定物の二次元的な移動量等の測定を高分
解能でかつ簡単な構成で行なうことが可能である。【構成】クロスグレーティング構造の回折格子２で
は、光源１からの光が入射するときにこれを回折して第
１の平面内に方向余弦をもつ第１種の回折光と第１の平
面と直交する第２の平面内に方向余弦をもつ第２種の回
折光とを発生させる。干渉部３０では、回折格子２から
の第１種の回折光の中から互いに異なる２つの回折光ｎ
_x1，ｎ_x2を選択して干渉させて第１種の干渉光とし、ま
た回折格子２からの第２種の回折光の中から互いに異な
る２つの回折光ｎ_y1，ｎ_y2を選択して干渉させて第２種
の干渉光とする。受光素子６では、第１種の干渉光の位
相の変化を検出し、受光素子７では、第２種の干渉光の
位相の変化を検出する。これらの検出結果に基づき回折
格子２の移動量等が測定できる。

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
などにおいて、被測定物の移動量等を測定するためのエ
ンコーダ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在最も高分解能のエンコーダ装置とし
て、例えば図１２に示されているような構成のものが知
られている。図１２のエンコーダ装置は、光源としての
Ｈｅ−Ｎｅレーザ１０１から出射した光を先ずハ−フミ
ラ−１０２を介しロ−タリ−エンコ−ダディスク１０３
に入射させる。ここで、このロ−タリ−エンコ−ダディ
スク１０３は、その中心から回折格子Ａが放射状に形成
されたものであって、ディスク１０３の外径は１５ｍ
ｍ、回折格子Ａの格子数は３０，０００、格子ピッチは
最外周で１５．７μｍとなっている。

【０００３】Ｈｅ−Ｎｅレーザ１０１からの光がロ−タ
リ−エンコ−ダディスク１０３の回折格子Ａに垂直に入
射すると、この光は、ロ−タリ−エンコ−ダディスク１
０３の回折格子Ａによって回折され、±１次光が発生す
る。この±１次光は、ミラ−１０４，１０５によって反
射され、元の光路を戻り、ロ−タリ−エンコ−ダディス
ク１０３の同じ位置に再び入射する。ロ−タリ−エンコ
−ダディスク１０３の同じ位置に入射した反射光，すな
わち±１次光は、回折格子Ａにより再び回折して光源１
０１からの入射光と同じ光路を反対方向に進行し、互い
に干渉して、干渉光としてハ−フミラ−１０２，ピンホ
−ル１０７を介し受光素子１０８に入射する。これによ
り、受光素子１０８では、干渉光の光強度を検出するこ
とができる。

【０００４】この際、ロ−タリ−エンコ−ダディスク１
０３が回転し、回折格子Ａがこれに入射する光を横切る
方向に移動すると、この回折格子Ａの移動に伴なって光
の位相変調がなされ、受光素子１０８に入射する干渉光
の光量変化は、回折格子１ピッチ当り４周期の変化とな
る。より詳しくは、回折格子Ａが格子１ピッチ分だけ移
動すると、光源１０１から入射光が回折された結果の±
１次光の光量はそれぞれ１周期変動し、また、ミラ−１
０４，１０５からの反射光（±１次光）についても同様
の周期変動を生じ、さらに、位相変調のなされる光は＋
１次光と−１次光との２つあるので、結局、受光素子１
０８に入射する干渉光の光強度は、回折格子Ａが格子１
ピッチ分だけ移動すると、４周期変動する。具体的に
は、ディスク１０３を１回転（格子数３０，０００）さ
せたときに、干渉光をピンホ−ル１０７によって正弦波
状のものにして受光素子１０８に入射させた結果、受光
素子１０８から１２０，０００の正弦波出力，すなわち
周期０．０５２ｍｒａｄの正弦波出力を得ることができ
て、被測定物の回転数，回転速度等を高分解能に測定す
ることが可能となる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように、上述した
エンコーダ装置では、回折格子を用いることにより、被
測定物の移動量を高分解能で検出することができる。し
かしながら、上述した従来のエンコーダ装置では、一方
向（角度方向）の移動量のみしか測定することができ
ず、移動量を二次元的に測定することができないという
問題があった。

【０００６】本発明は、被測定物の二次元的な移動量等
の測定を高分解能でかつ簡単な構成で行なうことの可能
なエンコーダ装置を提供することを目的としている。

【０００７】また、本発明は、光源からの光の波長が変
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、被測定物の二次元的な移動
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。

【０００８】

【課題を解決するための手段】図１は本発明に係るエン
コーダ装置の概略構成例を示す図である。図１を参照す
ると、このエンコーダ装置は、例えばＨｅ−Ｎｅレ−ザ
などの光源１と、光源１から出射された光が入射する回
折格子２と、干渉手段３０と、受光素子６，７とを有し
ている。

【０００９】図２，図３はそれぞれ本発明において用い
られる回折格子２の斜視図，平面図である。なお、以下
では、ｘ，ｙ，ｚの直交座標系を想定して説明する。図
２，図３の回折格子２は、同一平面上（ｘ−ｙ平面上）
に格子が直交するように配列形成されている所謂クロス
グレ−ティング構造(２次元回折格子)となっており、ｘ
方向，ｙ方向の格子間の間隔，すなわちピッチはそれぞ
れΛ_x，Λ_yに設定されている。また、図２，図３の例で
は、回折格子２，すなわちクロスグレ−ティングは、回
折効率を高めるため（位相変調型のものにするため）、
表面に格子（凹凸）の形成された（山と谷が縦横に形成
された）表面レリ−フグレ−ティングとなっている。

【００１０】なお、このような表面レリ−フグレ−ティ
ングは、二光束干渉法やマスク露光法，電子ビ−ム法を
用いて作製することができる。例えば二光束干渉法を用
いる場合には、図４に示すような作製装置によりグレ−
ティングを作製することができる。すなわち、この作製
装置では、レ−ザ１００からのレーザビームをハ−フミ
ラ−１０１によって二光束に分割し、それぞれをビ−ム
エキスパンダ１０２，１０３によって拡げた後、これら
を感光剤基板１０４上に投射し、干渉縞を記録する。し
かる後、現像して図５に示すような表面レリ−フグレ−
ティングを先ず得ることができる。ここで、グレ−ティ
ングのピッチΛは、レーザビームの波長をλ，露光角を
θ_eとすると、Λ＝λ／２ｓｉｎθ_eとなる。このように
して、１回の露光で図５に示すような通常の表面レリ−
フグレ−ティングを得た後、感光剤基板１０４を９０゜
回転させて２回目の露光を行ない現像することにより、
図２，図３に示すような表面レリ−フのクロスグレ−テ
ィングを得ることができる。

【００１１】また、図２，図３に示すようなクロスグレ
−ティング構造の回折格子２に光を入射させると、この
回折格子２からは、４方向に回折光が発生する。すなわ
ち、ｘ−ｙ平面上に形成された格子に対し、光源１から
の光を入射させると、この回折格子２からは、図６に示
すように、透過光（０次光）の他に、ｘ−ｚ平面内に方
向余弦をもつ回折光ｎ_x1次光（ｎ_x1：整数），ｎ_x2次光
（ｎ_x2：整数）と、ｙ−ｚ平面内に方向余弦をもつ回折
光ｎ_y1次光（ｎ_y1：整数），ｎ_y2次光（ｎ_y2：整数）と
の合計４方向の回折光が発生する。

【００１２】干渉手段３０は、上記４方向の回折光のう
ち、ｘ−ｚ平面内に方向余弦をもつｎ_x1次光（ｎ_x1：整
数）とｎ_x2次光（ｎ_x2：整数）とを干渉させ、また、ｙ
−ｚ平面内に方向余弦をもつｎ_y1次光（ｎ_y1：整数）と
ｎ_y2次光（ｎ_y2：整数）とを干渉させるようになってい
る。また、受光素子６は、ｎ_x1次光とｎ_x2次光との干渉
光を受光するように配置され、この干渉光の光量変化を
検知することで、この干渉光の位相の変化を検出するよ
うになっている。受光素子７は、ｎ_y1次光とｎ_y2次光と
の干渉光を受光するように配置され、この干渉光の光量
変化を検知することで、この干渉光の位相の変化を検出
するようになっている。

【００１３】本発明は、回折格子２がｘ−ｙ平面内で移
動する場合に、回折格子２に光源１からの光が入射する
ことによって発生するこのような４方向の回折光に基づ
き、回折格子２の２次元の移動量等，より具体的には、
回折格子２が取り付けられている被測定物の２次元の移
動量等を高分解能で測定することを意図している。

【００１４】すなわち、クロスグレ−ティング構造の回
折格子２がｘ−ｙ平面内で移動するときには、ｎ次（ｎ
は整数）回折光の位相変化Δθ_nは次式によって表わさ
れる。

【００１５】

【数１】Δθ_n＝２π・（ｄ／Λ）・ｎ

【００１６】ここで、ｄは、回折格子２の移動距離であ
って、回折格子２がｘ方向に移動するときにｄはｄ_xで
表わされ、また、回折格子２がｙ方向に移動するときに
ｄはｄ_yで表わされる。また、Λは、回折格子のピッチ
であって、ｘ方向の回折格子のピッチはΛ_xで表わさ
れ、ｙ方向の回折格子のピッチはΛ_yで表わされる。

【００１７】従って、ｘ−ｚ平面内に方向余弦をもつ２
つの回折光，すなわちｎ_x1次光とｎ_x2次光を干渉させる
と、この干渉光の位相変化Δθ_xは次式によって表わさ
れる。

【００１８】

【数２】Δθ_x＝２π・（ｄ_x／Λ_x）・（ｎ_x1−ｎ_x2）

【００１９】また、ｙ−ｚ平面内に方向余弦をもつ２つ
の回折光，すなわちｎ_y1次光とｎ_y2次光を干渉させる
と、この干渉光の位相変化Δθ_yは次式によって表わさ
れる。

【００２０】

【数３】Δθ_y＝２π・（ｄ_y／Λ_y）・（ｎ_y1−ｎ_y2）

【００２１】本発明では、ｘ−ｚ平面内に方向余弦をも
つ２つの回折光，すなわちｎ_x1次光とｎ_x2次光とを干渉
させて受光素子６に入射させ、受光素子６においてこの
干渉光の光量変化を検知し、これに基づきこの干渉光の
位相変化Δθ_xを検出することにより、数２に基づき回
折格子２のｘ方向の移動量ｄ_xが測定可能となり、ま
た、ｙ−ｚ平面内に方向余弦をもつ２つの回折光，すな
わちｎ_y1次光とｎ_y2次光とを干渉させて受光素子７に入
射させ、受光素子７においてこの干渉光の光量変化を検
知し、これに基づきこの干渉光の位相変化Δθ_yを検出
することにより、数３に基づき回折格子２のｙ方向の移
動量ｄ_yが測定可能となる。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図７は本発明に係るエンコーダ装置の第１の実施
例の構成図である。図７を参照すると、この第１の実施
例では、図１に示したエンコーダ装置において、干渉手
段３０にミラー４，５が用いられている。ここで、ミラ
ー４は、回折格子２からの４方向の回折光のうち、ｎ_x1
次光を反射してこれを最終的にｎ_x2次光と干渉させるた
めに設けられ、また、ミラー５は、ｎ_y1次光を反射して
これを最終的にｎ_y2次光と干渉させるために設けられて
いる。

【００２３】次にこのような構成の第１の実施例のエン
コーダ装置の具体的な動作について説明する。いま例え
ば、光源１からの光が回折格子２のｘ−ｙ平面に対して
垂直に入射するように、回折格子２に対して光源１が配
置されており、また、ミラー４は、ｎ_x1次光のうち＋１
次光を反射するように設定され、ミラー５は、ｎ_y1次光
のうち＋１次光を反射するように設定されている場合を
考える。光源１からの光をｘ−ｙ平面と垂直なｚ方向に
沿って入射させると、クロスグレーティング構造の回折
格子２からは、透過光（０次光）の他に、ｎ_x1次光，ｎ
_x2次光，ｎ_y1次光，ｎ_y2次光の４方向の回折光が発生す
る。このように発生した回折光のうち、ｎ_x1次光の１つ
である＋１次光は、ミラー４によって反射され、ｎ_x2次
光の１つである−１次光とほぼ平行になり、互いに重な
り合って干渉し、受光素子６に第１種の干渉光として入
射する。また、ｎ_y1次光の１つである＋１次光は、ミラ
ー５によって反射され、ｎ_y2次光の１つである−１次光
とほぼ平行になり、互いに重なり合って干渉し、受光素
子７に第２種の干渉光として入射する。

【００２４】この際、回折格子２が、ｘ−ｙ平面上でｘ
方向，ｙ方向にそれぞれ１ピッチ分Λ_x，Λ_y移動したと
すると、受光素子６において検出される第１種の干渉光
の位相変化Δθ_xは数２より４π・ｄ_x／Λ_xとなり、ま
た、受光素子７において検出される第２種の干渉光の位
相変化Δθ_yは数３より４π・ｄ_y／Λ_yとなる。回折格
子２のピッチΛ_x，Λ_yは既知であるので、受光素子６，
７において、位相変化Δθ_x，Δθ_yがそれぞれ検出され
ると、回折格子２，より具体的には回折格子２が取り付
けられている被測定物のｘ方向，ｙ方向の両方向の移動
量ｄ_x，ｄ_yを次式によって一度に測定することができ
る。

【００２５】

【数４】ｄ_x＝Δθ_x・Λ_x／４π ｄ_y＝Δθ_y・Λ_y／４π

【００２６】例えば、回折格子２がｘ方向，ｙ方向にそ
れぞれ半ピッチΛ_x／２，Λ_y／２だけ移動したとする
と、位相変化Δθ_x，Δθ_yはそれぞれ２π，２πとして
検出され、この位相変化２π，２πから、回折格子２，
被測定物がｘ方向，ｙ方向にそれぞれΛ_x／２，Λ_y／２
だけ移動したと測定することができる。

【００２７】上記の例では、ｎ_x1，ｎ_x2，ｎ_y1，ｎ_y2を
それぞれ＋１，−１，＋１，−１に選んだが、ｎ_x1とｎ
_x2との組合せ、またｎ_y1とｎ_y2の組合せについては同じ
回折光の組合せ以外であれば任意のもので良く、ｎ_x1−
ｎ_x2の絶対値，ｎ_y1−ｎ_y2の絶対値が大きくなるように
これらを選べば、それだけ敏感に位相が変化し、さらに
高分解能の測定が可能となる。例えば、ｎ_x2として(−
ｎ_x1)を選ぶと、ｎ_x1次光は回折格子２がｘ方向にピッ
チ分移動すると位相が２πｎ_x1倍変化し、ｎ_x2次光(す
なわち−ｎ_x1次光)は、回折格子２がｘ方向にピッチ分
移動すると位相が−２πｎ_x1倍変化するので、ｎ_x1次光
とｎ_x2次光(−ｎ_x1次光)とをミラーなどを用いて干渉さ
せると、干渉縞の位相は４πｎ_x1倍変化し、これを読取
ることで、回折格子２のｘ方向の移動量を高分解能で検
知できる。ｙ方向についても同様である。このように、
クロスグレーティング構造の回折格子２は、この１つの
回折格子２だけにより２次元方向の移動量を測定できる
ので、エリアエンコーダとみなすことができる。

【００２８】ところで、上述した第１の実施例では、ミ
ラー４によってｎ_x1次光を反射させてｎ_x1次光とｎ_x2次
光とを平行化しこれらに重ね合わせてｘ−ｚ平面上での
干渉光を得、また、ミラー５によってｎ_y1次光を反射さ
せてｎ_y1次光とｎ_y2次光とを平行化しこれらに重ね合わ
せてｙ−ｚ平面上での干渉光を得ているが、ｎ_x1次光が
ｎ_x2次光とほぼ平行となりこれらが重ね合わさって干渉
し、また、ｎ_y1次光がｎ_y2次光とほぼ平行となりこれら
が重ね合わさって干渉するまでには、回折格子２からあ
る程度の距離を要する。装置を小型化する観点からは、
これらの光が干渉するまでの距離をできるだけ短かくす
るのが良い。

【００２９】図８は本発明に係るエンコーダ装置の第２
の実施例の構成図であり、この第２の実施例では、光が
干渉するまでの距離をより短かくし、装置をより小型化
することを意図している。

【００３０】この第２の実施例のエンコーダ装置は、回
折格子２からの４方向の回折光，すなわちｎ_x1次光，ｎ
_x2次光，ｎ_y1次光，ｎ_y2次光を再び回折格子２に戻すた
めの反射手段が設けられている。図２の例では、反射手
段として、ｎ_x1次光，ｎ_x2次光を回折格子２上で互いに
重なり合うように戻すために、ミラー１１，１２が設け
られ、また、ｎ_y1次光，ｎ_y2次光を回折格子２上で互い
に重なり合うように戻すために、ミラー１３，１４が設
けられている。

【００３１】このエンコーダ装置では、回折光を回折格
子２に戻して重ね合わせることにより干渉光を光源１側
で得るようになっており、この干渉光を検出するため
に、受光素子６，７が光源１側に配置されている。

【００３２】次にこのような構成の第２の実施例のエン
コーダ装置の動作について説明する。光源１からの光を
クロスグレーティング構造の回折格子２に入射させる
と、前述したと同様に、回折格子２からは、透過光（０
次光）の他に、ｎ_x1次光，ｎ_x2次光，ｎ_y1次光，ｎ_y2次
光の４方向の回折光が発生する。このように発生した回
折光のうち、例えば、ｎ_x1次光の１つである＋１次光を
ミラー１１によって反射し、ｎ_x2次光の１つである−１
次光をミラー１２によって反射して、これらが回折格子
２上の例えば位置Ｐ₁において互いに重なり合うよう
に、回折格子２に戻す。また、ｎ_y1次光の１つである＋
１次光をミラー１３によって反射し、ｎ_y2次光の１つで
ある−１次光をミラー１４によって反射して、これらが
回折格子２上の例えば位置Ｐ₂において互いに重なり合
うように、回折格子２に戻す。

【００３３】これにより、回折格子２の位置Ｐ₁から
は、これに入射したｎ_x1次光に基づく透過光，回折光と
ｎ_x2次光に基づく透過光，回折光とが光源１側に発生
し、位置Ｐ₁から光源１側に発生するｎ_x1次光に基づく
透過光，回折光とｎ_x2次光に基づく透過光，回折光と
は、互いに同じ光路となるもの同士が干渉する。すなわ
ち、互いに同じ光路になる光は、ｎ_x1次光とｎ_x2次光と
を干渉させた干渉光としての性質を有しており、従っ
て、（ｎ_x1−ｎ_x2）に比例した位相成分を受け継いでい
る。同様に、回折格子２の位置Ｐ₂からは、これに入射
したｎ_y1次光に基づく透過光，回折光とｎ_y2次光に基づ
く透過光，回折光とが光源１側に発生し、位置Ｐ₂から
光源１側に発生するｎ_y1次光に基づく透過光，回折光と
ｎ_y2次光に基づく透過光，回折光とは、互いに同じ光路
となるもの同士が干渉する。すなわち、この場合にも、
互いに同じ光路になる光は、ｎ_y1次光とｎ_y2次光とを干
渉させた干渉光としての性質を有しており、従って、
（ｎ_y1−ｎ_y2）に比例した位相成分を受け継いでいる。

【００３４】このようにして、ｎ_x1次光に基づく透過
光，回折光とｎ_x2次光に基づく透過光，回折光とを干渉
させた結果の干渉光を回折格子２の位置Ｐ₁から光源１
側に発生させ、そのうちのある光路のものを受光素子６
に入射させることにより、受光素子６では、ｎ_x1次光と
ｎ_x2次光との干渉光の位相変化Δθ_x’を検出すること
ができる。同様に、ｎ_y1次光に基づく透過光，回折光と
ｎ_y2次光に基づく透過光，回折光とを干渉させた結果の
干渉光を回折格子２の位置Ｐ₂から光源１側に発生さ
せ、そのうちのある光路のものを受光素子７に入射させ
ることにより、受光素子７では、ｎ_y1次光とｎ_y2次光と
の干渉光の位相変化Δθ_y’を検出することができて、
それぞれの位相変化Δθ_x’，Δθ_y’に基づき数２，数
３に従って回折格子２，被測定物のｘ方向，ｙ方向の移
動量を一度に測定することができる。

【００３５】このように、この第２の実施例では、光源
からの入射光に基づき回折格子２から発生した回折光，
すなわちｎ_x1次光，ｎ_x2次光，ｎ_y1次光，ｎ_y2次光をそ
れぞれミラー１１，１２，１３，１４によって回折格子
２の所定位置に戻し、ｎ_x1次光の透過光，回折光とｎ_x2
次光の透過光，回折光とを干渉させ、第１種の干渉光と
して光源１側に発生させて、この干渉光の位相変化Δθ
_x’を検出し、またｎ_y1次光の透過光，回折光とｎ_y2次
光の透過光，回折光とを干渉させ、第２種の干渉光とし
て光源１側に発生させて、この干渉光の位相変化Δ
θ_y’を検出するようにしているので、第１の実施例に
比べて干渉させるに要する距離を著しく低減することが
でき、装置を小型化することができる。

【００３６】また、第１の実施例では、干渉光は回折格
子２の通過を１回経験しただけであるのに対し、第２の
実施例では、干渉光は回折格子２の通過を２回経験して
いるので、回折格子２の移動距離に対して干渉光の位相
変化Δθ_x’，Δθ_y’は第１の実施例における位相変化
Δθ_x，Δθ_yの２倍となり、この結果、２倍の感度を得
ることができて、回折格子の２次元的な移動量等をより
高感度，高分解能で検出することができる。

【００３７】なお、回折格子２へのｎ_x1次光，ｎ_x2次光
の入射位置Ｐ₁，ｎ_y1次光，ｎ_y2次光の入射位置Ｐ₂は光
源１からの入射光の入射位置と一般に異なっても良い
が、位置Ｐ₁，Ｐ₂を光源１からの入射光の入射位置，す
なわち元の回折点Ｐ₀と一致させることもできる。図９
はｎ_x1次光，ｎ_x2次光の入射位置Ｐ₁とｎ_y1次光，ｎ_y ₂
次光の入射位置Ｐ₂とを元の回折点Ｐ₀と一致させる構成
を示す図である。このように、位置Ｐ₁，Ｐ₂を元の回折
点Ｐ₀と一致させるようにすれば、回折格子２は小面積
のもので済む。

【００３８】但し、この場合には、ｘ−ｚ平面内に方向
余弦をもつ回折光の干渉光，すなわち第１種の干渉光と
ｙ−ｚ平面内に方向余弦をもつ回折光の干渉光，すなわ
ち第２種の干渉光とを明確に分離させて受光素子６，７
にそれぞれ入射させる必要がある。第１種の干渉光と第
２種の干渉光とを明確に分離して受光素子６，７にそれ
ぞれ入射させるためには、第１種の干渉光として、光源
１からの入射光とのなす角（ｘ方向回折角）がなるべく
大きい光，すなわち所定角度以上の光を選択してこれを
受光素子６に入射させるのが良い。すなわち、ｘ方向回
折角が大きい光は、ｙ方向回折角が小さくなるので、第
２種の干渉光と分離できているとみなせるからである。
同様に、第２種の干渉光として、光源１からの入射光と
のなす角（ｙ方向回折角）がなるべく大きい光，すなわ
ち所定角度以上の光を選択してこれを受光素子７に入射
させるのが良い。すなわち、ｙ方向回折角が大きい光
は、ｘ方向回折角が小さくなるので、第１種の干渉光と
分離できているとみなせるからである。

【００３９】また、図８，図９の例では、反射手段とし
て、それぞれの回折光の数のミラー１１，１２，１３，
１４を用いたが、ミラー１１，１２，１３，１４を用い
るかわりに、図１０に示すように、反射型の回折格子２
０を用いることもできる。この反射型の回折格子２０
は、例えば、回折格子２と全く同じクロスグレーティン
グ構造の回折格子のクロスグレーティング面にアルミニ
ウムなどの金属の反射層２１を蒸着等により形成して作
成することができる。

【００４０】反射手段にミラー１１，１２，１３，１４
を用いる場合には、回折光の数だけミラーが必要とな
り、また、光源１からの光に波長変動が生じたときには
回折格子２において回折角が変化しミラー１１，１２，
１３，１４からの反射光が回折格子２の同じ位置に戻ら
ないなどの問題が生ずるが、反射手段にミラー１１，１
２，１３，１４のかわりに図１０に示すような反射型の
回折格子２０を用いる場合には、回折光ごとに個々の部
品を用意せずとも良く、また、光源１からの光に波長変
動が生じ回折格子２において回折角が変化しても、反射
型の回折格子２０において同様に回折角が変化するの
で、反射光を回折格子２の同じ位置に戻すことができ
る。

【００４１】なお、図１０の構成において、反射型の回
折格子２０からの反射光のうち、回折格子２上の元の回
折点Ｐ₀に戻るものを選択して用いれば、図９の構成に
対応した機能を実現でき、また、回折格子２上の位置Ｐ
₁，Ｐ₂に戻るもの（すなわち、元の回折点Ｐ₀に戻らな
い光）を選択して用いれば、図８の構成に対応した機能
を実現することができる。

【００４２】なお、反射型の回折格子２０をクロスグレ
ーティング面に反射層を蒸着により形成して作成する場
合、クロスグレーティング面は凹凸の集まりであるの
で、凹部分にも均一に反射層を形成するためには蒸着装
置の試料台を回転させるなどの工夫が必要となる。この
ような問題を回避するため、反射型の回折格子２０とし
て、図１１に示すように、クロスグレーティング面とは
反対側の平坦な面に平面ミラー２２を形成したものを用
いることもできる。この場合には、反射層を簡単に形成
でき、また、回折光は、この平面ミラー２２により反射
され、前述したと同様の効果を得ることができる。

【００４３】また、上述の各実施例では、回折格子２と
して、平面状のクロスグレーティングを用いてｘ−ｙ平
面内での移動量等を２次元的に測定するようにしている
が、例えば半球面状のクロスグレーティングを用い、θ
−φ平面内での移動量等を２次元的に測定することも可
能である。換言すれば、本発明は、任意の直交座標系の
２つの軸方向により張られる面内での移動量等の２次元
的な測定全てに適用可能であり、１種類の直交座標系
（例えば、ｘ，ｙ，ｚ座標系）に限定されない。

【００４４】また、上述の各実施例の説明では、光源１
からの光を回折格子２に垂直に入射させるとしたが、例
えば回折格子２の各格子の形状等に応じ、光源１からの
光を回折格子２に垂直でなく入射させることも可能であ
る。

【００４５】さらに、上述の各実施例において、干渉光
が受光素子６，７に入射する経路に、図３２に示したと
同様のピンホールを設けることにより、回折格子２が移
動したときに干渉光の光量変化を正弦波状のものにして
受光素子６，７に入射させることができて、第１の実施
例においては、受光素子６，７からは回折格子２の１ピ
ッチ分の移動距離に対し４周期の正弦波出力を得ること
ができる。また、第２の実施例においては、回折光を回
折格子２に戻すことにより２回位相変化を受けるので、
受光素子６，７からは第１の実施例に比べ２倍の周期の
正弦波出力を得ることができる。

【００４６】図１２は本発明に係るエンコーダ装置の第
３の実施例の構成図である。図１２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５２と、レンズ５２からのコリメ−ト光
が入射する２つの回折格子５３，５４と、移動情報検出
手段としての受光素子５７，５８とを有している。

【００４７】ここで、２つの回折格子５３，５４は、図
２，図３に示したようなクロスグレーティング構造のも
のであって、１番目の回折格子５３のｘ方向，ｙ方向の
ピッチはそれぞれΛ_x1，Λ_y1であり、２番目の回折格子
５４のｘ方向，ｙ方向のピッチはそれぞれΛ_x2，Λ_y2で
あり、各回折格子５３，５４は、格子面が互いに平行と
なるように配置されている。

【００４８】第３の実施例では、光源１からの光をレン
ズ５２によりコリメートして１番目の回折格子５３に入
射させて、ｎ_x1次光，ｎ_x2次光，ｎ_y1次光，ｎ_y2次光
（ｎ_x1，ｎ_x2，ｎ_y1，ｎ_y2は整数）の回折光（第１回折
光）を発生させ、この第１回折光を２番目の回折格子５
４に入射させて、ｍ_x1次光，ｍ_x2次光，ｍ_y1次光，ｍ_y2
次光（ｍ_x1，ｍ_x2，ｍ_y1，ｍ_y2は整数）の回折光（第２
回折光）を発生させ、２番目の回折格子５４からの第２
回折光を用いて、干渉縞を発生させるように構成されて
いる。

【００４９】すなわち、２番目の回折格子５４で発生し
た第２回折光のうち、ｘ方向の回折光であるｍ_x1次光と
ｍ_x2次光との干渉による第１種の干渉縞と、ｙ方向の回
折光であるｍ_y1次光とｍ_y2次光との干渉による第２種の
干渉縞との２種類の干渉縞(ｘ方向，ｙ方向の干渉縞)を
発生させるように構成されている。受光素子５７は、上
記第１種の干渉縞を受光するよう配置され、受光素子５
８は、上記第２種の干渉縞を受光するように配置されて
いる。このことからもわかるように、ｘ方向とｙ方向と
は互いに独立しており、原理も同じであるので、以下で
は、便宜上、ｘ方向，ｙ方向の両方に適用できるものと
して一つの方向のみに着目して説明する。

【００５０】一つの方向(ｘ方向またはｙ方向)における
干渉縞が２つの光(以下、光Ｅ，光Ｆとする)によって発
生するとする。図１３には、光Ｅについては、１番目の
回折格子５３でのｎ₁次の回折光（回折角θ₁）、２番目
の回折格子５４でのｍ₁次の回折光（回折角θ₂）を用
い、光Ｆについては、１番目の回折格子５３でのｎ₂次
の回折光（回折角φ₁）、２番目の回折格子５４でのｍ₂
次の回折光（回折角φ₂）を用いる場合が示されてい
る。

【００５１】この場合、光Ｅについては次式の関係が成
立する。

【００５２】

【数５】ｓｉｎθ₁＝ｎ₁λ／Λ₁

【００５３】

【数６】−ｓｉｎθ₂＋ｓｉｎθ₁＝ｍ₁λ／Λ₂

【００５４】数５と数６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。

【００５５】

【数７】ｓｉｎθ₂＝λ（ｎ₁／Λ₁−ｍ₁／Λ₂）

【００５６】同様に、光Ｆについては、次式が成立す
る。

【００５７】

【数８】ｓｉｎφ₂＝−λ（ｎ₂／Λ₁−ｍ₂／Λ₂）

【００５８】また、干渉縞のピッチΛ₀は次式により表
わされる。

【００５９】

【数９】Λ₀＝λ／(ｓｉｎθ₂＋ｓｉｎφ₂)

【００６０】また、数７，数８,数９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。

【００６１】

【数１０】 Λ₀＝１／［（ｎ₁−ｎ₂）／Λ₁−(ｍ₁−ｍ₂)／Λ₂］

【００６２】数１０から、干渉縞のピッチΛ₀は、１番
目の回折格子５３のピッチΛ₁と２番目の回折格子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ことがわかる。

【００６３】このように、この第３の実施例では、クロ
スグレーティング構造の回折格子を２つ設けることによ
って、光源からの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
とができる。

【００６４】また、この場合、Λ₁とΛ₂と回折次数
ｎ₁，ｎ₂，ｍ₁，ｍ₂を適切に設定することで、任意の本
数の干渉縞を得ることができる。なお、干渉縞は、回折
格子の移動に従って移動するので、１つの方向につい
て、干渉縞のピッチΛ₀よりも小さな受光面積の１個の
受光素子５７または５８で受光すれば、正弦波状信号が
得られる。例えば回折格子５４が移動用回折格子であっ
て、１ピッチ移動すると、次数の＋と−で逆方向に位相
差が発生し、正弦波状信号は回折格子５４の次数の差
(｜ｍ₁−ｍ₂｜)の周期となる。また、回折格子５３が移
動用回折格子である場合には、正弦波状信号は回折格子
５３の次数の差(｜ｎ₁−ｎ₂｜)の周期となる。

【００６５】また、回折次数ｎ₁，ｎ₂，ｍ₁，ｍ₂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５４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５４でのｍ₂次光との干渉では、Λ₁≒Λ
₀を例にとると、次式を満たさなければならない。

【００６６】

【数１１】ｎ₁＋ｍ₁＝ｎ₂＋ｍ₂

【００６７】換言すれば、数１１を満たすものであれ
ば、任意の次数を用いることができる。具体例として、
回折格子５３にピッチΛ₁がΛ₁＝１μｍの非常に高密度
な回折格子を用い、干渉縞のピッチΛ₀を２ｍｍ(コリメ
ート光の光径程度)と大きくとる場合に、回折次数をｎ₁
＝１，ｎ₂＝−１，ｍ₁＝−２，ｍ₂＝２とすれば、回折
格子５４のピッチΛ₂は、Λ₂＝２．０００５μｍとな
り、回折格子５３のピッチΛ₁の約２倍の大きなもので
良いことになる。回折格子５３のピッチΛ₁と回折格子
５４のピッチΛ₂とが僅かにしか相違しない場合には、
干渉縞のピッチΛ₀を大きくとるとき、回折格子５３を
Λ₁＝１μｍの非常に高密度な回折格子とし、回折格子
５４をもΛ₁＝１μｍ程度の非常に高密度なものにしな
ければならず、従って、このような回折格子を作製する
場合、精度上の問題が生ずるが、上記のように、回折次
数を適宜選択し、回折格子５４のピッチΛ₂を回折格子
５３のピッチΛ₁に比べて大きく相違させることができ
ることによって、固定用回折格子５３が非常に高密度な
回折格子であっても、移動用回折格子５４を固定用回折
格子５３に比べれば、低密度の回折格子として作製で
き、これにより、精度上の問題を回避することができ
る。

【００６８】前述のように、ｘ方向とｙ方向とで干渉縞
発生に関する原理は同じであり、回折格子のピッチや次
数を選ぶことで、干渉縞のピッチをｘ方向とｙ方向とで
独立に設計できる。ｘおよびｙを便宜上ｖで表わすと、
干渉縞のピッチは次式で表わされる。

【００６９】

【数１２】 Λ_v0＝｜１／［(ｎ_v1−ｎ_v2)／Λ_v1−(ｍ_v1−ｍ_v2)／Λ_v2］｜

【００７０】図１４は本発明に係るエンコーダ装置の第
４の実施例の構成図である。図１４のエンコーダ装置は
図１３に示したようなエンコーダ装置において、２番目
の回折格子５４の1番目の回折格子５３とは反対の側
に、反射手段(例えばミラー)８１がさらに配置され、ま
た、レンズ５２と固定用回折格子５３との間に、分割手
段(例えばビームスプリッタ)８２がさらに配置され、移
動情報検出手段としての受光素子５７，５８が分割手段
８２からの出射光を受光するように配置されたものとな
っている。なお、反射手段８１は、図１４に示すよう
に、回折格子５４と別体に設けられても良いが、回折格
子５４の回折格子５３とは反対側の面に回折格子５４と
一体に形成されても良い。

【００７１】このような構成では、レンズ５２でコリメ
ートされたコリメート光は、分割手段８２を透過してク
ロスグレーティング構造の回折格子５３，回折格子５４
に入射する。回折格子５４からの回折光は、反射手段８
１で反射されて、回折格子５４，回折格子５３を再び経
験し、分割手段８２で分割されて受光素子５７，５８に
入射する。このとき、受光素子５７上では、これに入射
する回折光によるｘ方向の干渉縞が発生する。また、受
光素子５８上では、ｙ方向の干渉縞が発生する。この場
合も、前述の第３の実施例と同様、ｘ方向とｙ方向とは
互いに独立しており、同じ原理によって、ｘ方向の干渉
縞とｙ方向の干渉縞とが互いに独立して発生する。

【００７２】上記のような光学系は、図１５に示すよう
な対称的な４回の回折格子系と等価である。図１５を用
いて、上記回折光の様子をさらに詳しく説明する。前述
の実施例と同様に、干渉縞を２つの光Ｅ，Ｆにより発生
させるとし、光Ｅについては、１番目の回折格子５３で
のｎ₁次の回折光（回折角θ₁），２番目の回折格子５４
でのｍ₁次の回折光（回折角θ₂），２番目の回折格子５
４でのｍ₁次の回折光（回折角θ₃），１番目の回折格子
５３でのｎ₁次の回折光（回折角θ₄）を順次に発生さ
せ、光Ｆについては、１番目の回折格子５３でのｎ₂次
の回折光（回折角φ₁），２番目の回折格子５４でのｍ₂
次の回折光（回折角φ₂），２番目の回折格子５４での
ｍ₂次の回折光（回折角φ₃），１番目の回折格子５３で
のｎ₂次の回折光（回折角φ₄）を順次に発生させるもの
とする。

【００７３】説明を簡単にするために、前述の実施例と
同様に、コリメート光が回折格子５３に垂直に入射する
とすると、光Ｅについては、次式の関係が成立する。

【００７４】

【数１３】ｓｉｎθ₁＝ｎ₁λ／Λ₁ ｓｉｎθ₁−ｓｉｎθ₂＝ｍ₁λ／Λ₂ ｓｉｎθ₂＋ｓｉｎθ₃＝ｍ₁λ／Λ₂ ｓｉｎθ₃＋ｓｉｎθ₄＝ｎ₁λ／Λ₁

【００７５】これにより、θ₄は次式で表わされる。

【００７６】

【数１４】ｓｉｎθ₄＝２λ(ｎ₁／Λ₁−ｍ₁／Λ₂)

【００７７】同様に、光Ｆについては次式が成立する。

【００７８】

【数１５】ｓｉｎφ₄＝−２λ(ｎ₂／Λ₁−ｍ₂／Λ₂)

【００７９】また、Λ₀は次式で表わされる。

【００８０】

【数１６】Λ₀＝λ／(ｓｉｎθ₄＋ｓｉｎφ₄)

【００８１】数１４，数１５，数１６から、干渉縞のピ
ッチΛ₀は次式で表わされる。

【００８２】

【数１７】 Λ₀＝１／［２((ｎ₁−ｎ₂)／Λ₁−(ｍ₁−ｍ₂)／Λ₂)］

【００８３】ｘおよびｙを便宜上ｖで表わすと、干渉縞
のピッチは次式のように表わされる。

【００８４】

【数１８】 Λ_v0＝｜１／［２((ｎ_v1−ｎ_v2)／Λ_v1−(ｍ_v1−ｍ_v2)／Λ_v2)］｜

【００８５】これにより、Λ₀は波長に依存しないこと
がわかる。また、干渉縞は回折格子の移動に従って移動
するので、１つの方向について、干渉縞のピッチより小
さい一個の受光素子５７または５８で受光すれば、正弦
波状信号が得られる。また、ｎ₁次光(またはｍ₁次光)を
往復用いていることで、回折格子が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
波状信号は移動する方の回折格子の次数の差の２倍(２
｜ｍ₁−ｍ₂｜又は２｜ｎ₁−ｎ₂｜)の周期となる。

【００８６】また、図１４のエンコーダ装置は、図１２
のエンコーダ装置に比べ、光を回折格子５３，回折格子
５４にそれぞれ２回ずつ経験させることで、移動量検出
感度を４倍にすることができる。

【００８７】また、前述の第３の実施例では、光源１と
しては、点光源(例えば半導体レーザあるいは発光面が
数１０μｍ以下と小さい発光ダイオード)しか用いるこ
とができず、例えば、発光面の広い発光ダイオード(以
下、単に発光ダイオードとは発光面の広い発光ダイオー
ドを指すものとする)等を用いることはできないが、こ
の第４の実施例では、光源１として、点光源(例えば半
導体レーザ)のみならず、発光ダイオード等をも用いる
ことができる。すなわち、光源１が半導体レーザ等の点
光源のものである場合には、図１６(ａ)に示すように、
光Ｅと光Ｆとは、全く同じ点光源から出射されたもので
あるので、互いに干渉しあい、干渉縞が発生し、エンコ
ーダ装置として機能するが、発光ダイオードの場合に
は、図１６(ｂ)に示すように、光Ｅと光Ｆとは、同じと
ころから出射されたものでないので、第３の実施例の構
成では、干渉縞が発生せず、従って、発光ダイオードを
光源１として用いることはできない。

【００８８】これに対し、この第４の実施例では、反射
手段８１によって反射された光は、反射手段８１により
光が同じ光路を経て元に戻るので、光源１に例えば発光
ダイオードを用いる場合、反射手段８１に達するまでの
光は点光源から出射されたものでなく干渉縞は発生しな
いが、反射手段８１からの反射光が、回折格子５４，回
折格子５３，分割手段８２を介して受光素子５７，５８
に到達するまでの光は、点光源から出射されたと同等の
ものであり、従って、受光素子５７，５８上に干渉縞を
発生させることができ、エンコーダ装置として機能させ
ることができる。

【００８９】図１７は図１４のエンコーダ装置の変形例
を示す図である。図１７のエンコーダ装置では、図１４
のエンコーダ装置の反射手段８１のかわりに、２番目の
回折格子５４の回折格子面に反射手段８４が設けられた
構成となっている。すなわち、図１７の例では、２番目
の回折格子５４は、その回折格子面にアルミなどの金属
を蒸着やスパッタなどで形成した反射型回折格子となっ
ており、この場合、蒸着やスパッタなどで形成された金
属膜が反射手段８４として機能する。また、この変形例
では、２番目の回折格子５４のピッチΛ₂は、１番目の
回折格子５３のピッチΛ₁の約１／２となっている。

【００９０】このような構成のエンコーダ装置では、光
源１からの光は、受光素子５７，５８に達するまでに、
１番目の回折格子５３を２回経験し、また、２番目の回
折格子５４を１回経験し、受光素子５７，５８上に発生
する干渉縞のピッチΛ₀は、次式で表わされる。

【００９１】

【数１９】 Λ₀＝１／［２（ｎ₁−ｎ₂）／Λ₁−(ｍ₁−ｍ₂)／Λ₂］

【００９２】ｘおよびｙをｖで表わすと、干渉縞のピッ
チは次式のように表わされる。

【００９３】

【数２０】 Λ_v0＝｜１／［２(ｎ_v1−ｎ_v2)／Λ_v1−(ｍ_v1−ｍ_v2)／Λ_v2］｜

【００９４】なお、上式(数１９または数２０)は、数１
７または数１８から次のようにして導き出される。すな
わち、説明を簡単にするため、ｎ₁，ｎ₂，ｍ₁，ｍ₂とし
て±１次光を用いるとし、数１７を次式のように変形す
る。

【００９５】

【数２１】 Λ₀＝１／［４(１／Λ₁−１／Λ₂)］＝１／｛２［２／Λ₁−１／(Λ₂／２ )］｝

【００９６】この変形式は、１／Λ₁が２／Λ₁となり、
また、Λ₂がΛ₂／２となっており、この意味するところ
は、ピッチΛ₁の回折格子５３を２回経験し、ピッチが
半分(Λ₂／２)の回折格子５４を１回経験するという構
成が可能ということである。この変形式に基づいて、数
１９を導き出すことができる。

【００９７】この変形例によれば、第２番目の回折格子
５４のピッチは第１番目の回折格子５３の略半分であ
り、１番目の回折格子５３が１ピッチ移動すると、正弦
波信号は２｜ｎ₁−ｎ₂｜の周期となり、２番目の回折格
子５４が移動すると、正弦波信号は｜ｍ₁−ｍ₂｜の周期
となる。なお、２番目の回折格子５４が移動するときに
は、１番目の回折格子５３が移動する場合に比べ、正弦
波信号の移動周期は１／２となるが、回折格子５４のピ
ッチΛ₂が回折格子５３のピッチΛ₁に比べて略半分であ
るので、１番目，２番目の回折格子のいずれかが移動す
る場合にも感度は同じであり、第３の実施例のエンコー
ダ装置に対し、４倍となる。

【００９８】また、図１４のエンコーダ装置と同様、反
射手段８４により、光源１に発光ダイオード等が用いら
れる場合にも、エンコーダ装置として良好に機能する。

【００９９】なお、図１４，図１７の例では、コリメー
ト光をビームスプリッタ８２を透過させて回折格子５
３，５４に向かわせ、反射光をビームスプリッタ８２で
反射させて受光素子７に向かわせたが、コリメート光を
ビームスプリッタ８２で反射させて回折格子５３，５４
に向かわせ、反射光をビームスプリッタ８２を透過させ
て受光素子７に向かわせても良い。この場合には、回折
格子５３，５４をビームスプリッタ８２の反射側に配置
し、受光素子７をビームスプリッタ８２の透過側に配置
する。

【０１００】図１８は本発明に係るエンコーダ装置の第
５の実施例の構成図である。図１８のエンコーダ装置
は、図１４に示したようなエンコーダ装置において、回
折格子５４と反射手段８１との間にさらに、グレーティ
ング構造の３番目の回折格子８６が設けられ、合計３つ
のグレーティング構造回折格子５３，５４，８６により
構成されている。なお、この場合、１番目，２番目，３
番目の回折格子５３，５４，８６のいずれか１つが移動
用回折格子であり、他の２つが固定用回折格子であると
する。

【０１０１】このような光学系は、１つの方向につい
て、図１９に示すような対称的な６回の回折格子系と等
価である。図１９を用いて、上記回折光の様子をさらに
詳しく説明する。前述の実施例と同様に、干渉縞を２つ
の光Ｅ，Ｆにより発生させるとし、光Ｅについては、１
番目の回折格子５３でのｎ₁次の回折光（回折角θ₁），
２番目の回折格子５４でのｍ₁次の回折光（回折角
θ₂），３番目の回折格子８６でのｌ₁次の回折光（回折
角θ₃），３番目の回折格子８６でのｌ₁次の回折光（回
折角θ₄），２番目の回折格子５４でのｍ₁次の回折光
（回折角θ₅），１番目の回折格子５３でのｎ₁次の回折
光（回折角θ₆）を順次に発生させ、光Ｆについては、
１番目の回折格子５３でのｎ₂次の回折光（回折角
φ₁），２番目の回折格子５４でのｍ₂次の回折光（回折
角φ₂），３番目の回折格子８６でのｌ₂次の回折光（回
折角φ₃），３番目の回折格子８６でのｌ₂次の回折光
（回折角φ₄）２番目の回折格子５４でのｍ₂次の回折光
（回折角φ₅），１番目の回折格子５３でのｎ₂次の回折
光（回折角φ₆）を順次に発生させるものとする。

【０１０２】説明を簡単にするために、前述の実施例と
同様に、コリメート光が回折格子５３に垂直に入射する
とすると、光Ｅについては、次式の関係が成立する。

【０１０３】

【数２２】ｓｉｎθ₁＝ｎ₁λ／Λ₁ ｓｉｎθ₁＋ｓｉｎθ₂＝ｍ₁λ／Λ₂ ｓｉｎθ₂＋ｓｉｎθ₃＝ｌ₁λ／Λ₃ −ｓｉｎθ₃＋ｓｉｎθ₄＝ｌ₁λ／Λ₃ ｓｉｎθ₄＋ｓｉｎθ₅＝ｍ₁λ／Λ₂ ｓｉｎθ₅＋ｓｉｎθ₆＝ｎ₁λ／Λ₁

【０１０４】これにより、θ₆は次式で表わされる。

【０１０５】

【数２３】ｓｉｎθ₆＝２λ(ｎ₁／Λ₁−ｍ₁／Λ₂＋ｌ₁／Λ₃)

【０１０６】同様に、光Ｆについては次式が成立する。

【０１０７】

【数２４】ｓｉｎφ₆＝−２λ(ｎ₂／Λ₁−ｍ₂／Λ₂＋ｌ₂／Λ₃)

【０１０８】また、Λ₀は次式で表わされる。

【０１０９】

【数２５】Λ₀＝λ／(ｓｉｎθ₆＋ｓｉｎφ₆)

【０１１０】数２３，数２４，数２５から、干渉縞のピ
ッチΛ₀は次式で表わされる。

【０１１１】

【数２６】 Λ₀＝１／［２((ｎ₁−ｎ₂)／Λ₁−(ｍ₁−ｍ₂)／Λ₂＋(ｌ₁-ｌ₂)／Λ₃)］

【０１１２】ｘおよびｙをｖで表わすと、干渉縞のピッ
チは次式で表わされる。

【０１１３】

【数２７】 Λ_v0＝｜１／［２((ｎ_v1−ｎ_v2)／Λ_v1−(ｍ_v1−ｍ_v2)／Λ_v2＋(ｌ_v1−ｌ _v2 )／Λ_v3)］｜

【０１１４】これにより、Λ₀は波長に依存しないこと
がわかる。また、干渉縞は移動用回折格子の移動に従っ
て移動するので、１つの方向について、干渉縞のピッチ
より小さい一個の受光素子５７または５８で受光すれ
ば、正弦波状信号が得られる。また、いずれか１つの回
折格子が１ピッチ移動するに従って、正弦波状信号は移
動用の回折格子の次数の差の２倍(２｜ｍ₁−ｍ₂｜又は
２｜ｎ₁−ｎ₂｜又は２｜ｌ₁−ｌ₂｜）の周期となる。

【０１１５】また、この第５の実施例においても、前述
の第４の実施例と同様、光源１として、点光源(例えば
半導体レーザ)のみならず、発光ダイオード等をも用い
ることができる。

【０１１６】図２０は図１８のエンコーダ装置の変形例
を示す図である。図２０のエンコーダ装置は、図１７に
示したエンコーダ装置と対応したものとなっており、図
１８のエンコーダ装置の反射手段８１のかわりに、３番
目の回折格子８６の回折格子面に反射手段８４が設けら
れた構成となっている。すなわち、図２０の例では、３
番目の回折格子８６は、その回折格子面にアルミなどの
金属を蒸着やスパッタなどで形成した反射型回折格子と
なっている。また、この変形例では、３番目の回折格子
５４のピッチΛ₃は、１番目，２番目の回折格子５３，
５４のピッチΛ₁，Λ₂の約１／２となっている。

【０１１７】このような構成のエンコーダ装置では、光
源１からの光は、受光素子５７，５８に達するまでに、
１番目，２番目の回折格子５３，５４を２回経験し、ま
た、３番目の回折格子８６を１回経験し、受光素子５
７，５８上に発生する干渉縞のピッチΛ₀は、次式で表
わされる。

【０１１８】

【数２８】 Λ₀＝１／［２（（ｎ₁−ｎ₂）／Λ₁−(ｍ₁−ｍ₂)／Λ₂）＋（ｌ₁−ｌ₂）／Λ₃ ］

【０１１９】ｘおよびｙをｖで表わすと、干渉縞のピッ
チは次式で表わされる。

【０１２０】

【数２９】 Λ_v0＝｜１／［２((ｎ_v1−ｎ_v2)／Λ_v1−(ｍ_v1−ｍ_v2)／Λ_v2）＋(ｌ_v1− ｌ_v2)／Λ_v3］｜

【０１２１】なお、上式(数２８，数２９)は、数２６ま
たは数２７から次のようにして導き出される。すなわ
ち、説明を簡単にするため、ｎ₁，ｎ₂，ｍ₁，ｍ₂として
±１次光を用いるとし、数２６を次式のように変形す
る。

【０１２２】

【数４４】 Λ₀＝１／［４(１／Λ₁−１／Λ₂＋１／Λ₃)］＝１／｛２［２／Λ₁−２／Λ₂ ＋１／(Λ₃／２)］｝

【０１２３】この変形式は、１／Λ₁，１／Λ₂がそれぞ
れ２／Λ₁，２／Λ₂となり、また、Λ₃がΛ₃／２となっ
ており、この変形式の意味するところは、ピッチΛ₁，
Λ₂の回折格子５３，５４をそれぞれ２回経験し、ピッ
チが半分(Λ₃／２)の移動用回折格子８６を１回経験す
るという構成が可能ということである。この変形式に基
づいて、数２８を導き出すことができる。

【０１２４】この変形例によれば、回折格子が１ピッチ
移動するに従って、正弦波信号は移動する方の回折格子
の次数の差の２（｜ｍ₁−ｍ₂｜）倍または２（｜ｎ₁−
ｎ₂｜）倍または｜ｌ₁−ｌ₂｜倍の周期となる。

【０１２５】また、図１８のエンコーダ装置と同様、反
射手段８４により、光源１に発光ダイオード等が用いら
れる場合にも、エンコーダ装置として良好に機能する。

【０１２６】なお、図１８，図２０のエンコーダ装置で
は、３つの回折格子５３，５４，８６を設けたが、３つ
以上の回折格子を設けることも可能である。

【０１２７】上述の各実施例で説明したように、複数の
回折格子を用いて干渉縞を発生させ、移動量を検出する
ことができるが、この際、受光素子７の大きさをより大
きくし設定の容易なものにするためには、干渉縞のピッ
チを大きなものにするのが良く、このためには、干渉さ
せる２つの光は互いに平行に近いものが選ばれるのが良
い。

【０１２８】また、高次回折光を用いると、前述のよう
にピッチの波長依存性はないが、干渉縞の位相は波長依
存性をもつ。干渉縞の位相についても波長依存性をなく
すためには、２つの光を全く対称の光学系とするのが良
い。すなわち、ｎ₁＝−ｎ₂，ｍ₁＝−ｍ₂，ｌ₁＝−ｌ₂の
ように、各回折格子で発生する２つの光を同じ次数にす
るのが良い。このように対称的にすることによって、波
長変動による回折角の変化を相殺することができる。例
えば、第１番目の回折格子では±１次光同士、第２番目
の回折格子では±３次光同士等にするのが良い。この中
でも１次光は最も効率が高いので最適である。

【０１２９】例えば、図１２のエンコーダ装置の場合、
ｎ₁＝１，ｎ₂＝−１，ｍ₁＝１，ｍ₂＝−１を例にとり、
Λ₁＝１μｍのときにΛ₀＝２ｍｍとするには、Λ₂＝１.
０００２５μｍとなり、Λ₁とΛ₂の違いは約０.０２５
％となる。

【０１３０】また、図１４のエンコーダ装置の場合、ｎ
₁＝１，ｎ₂＝−１，ｍ₁＝１，ｍ₂＝−１を例にとり、Λ
₁＝１μｍのときにΛ₀＝２ｍｍとするには、Λ₂＝１.０
００１２５μｍとなる。

【０１３１】また、図１７のエンコーダ装置の場合、ｎ
₁＝１，ｎ₂＝−１，ｍ₁＝１，ｍ₂＝−１を例にとり、Λ
₁＝１μｍのときにΛ₀＝２ｍｍとするには、Λ₂＝０.５
０００６２５μｍとなる。

【０１３２】また、図１８のエンコーダ装置の場合、ｎ
₁＝１，ｎ₂＝−１，ｍ₁＝１，ｍ₂＝−１，ｌ₁＝１，ｌ₂
＝−１を例にとり、Λ₁＝１μｍ、Λ₂＝０.５μｍのと
きにΛ₀＝２ｍｍとするには、Λ₃＝０.９９９８７５μ
ｍとなる。

【０１３３】ところで、上述の各実施例におけるような
干渉縞に基づき回折格子の移動に関する情報を検出する
型式のエンコーダ装置では、回折格子が移動し、これに
伴なって干渉縞が移動するときに、移動情報検出手段と
して、ｘ方向，ｙ方向のそれぞれについて、干渉縞の間
隔よりも小さい受光面をもつ受光素子や小さい孔のピン
ホールを用いれば、１つの受光素子５７または５８から
図２１に示すような正弦波状信号を得ることができる。
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
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。

【０１３４】図２２乃至図３１には、正弦波状信号の品
質を良好なものにするための本発明による各種の信号検
出の仕方，換言すれば、移動情報検出手段の各種の構成
例が示されている。なお、以下では、便宜上、エンコー
ダ装置が図１２の構成となっているものとして説明す
る。先ず、図２２には、ｘ方向，ｙ方向のそれぞれにつ
いて、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、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２つの受
光素子５７ａ，５７ｂ；５８ａ，５８ｂを配置し、ｘ方
向については受光素子５７ａ，５７ｂの出力の差をと
り、ｙ方向については受光素子５８ａ，５８ｂの出力の
差をとる構成が示されている。すなわち、１つの方向に
ついて１つの受光素子でなく、２つの受光素子を用いて
いる。なお、図２２には、例えばｘ方向にのみ着目した
ときの構成が示されている。

【０１３５】図２３は、図２２の構成における一つの方
向，例えばｘ方向の受光素子５７ａ，５７ｂの出力信号
Ａ_x，Ｂ_x，２つの受光素子５７ａ，５７ｂの出力の差信
号（Ａ_x−Ｂ_x）をそれぞれ示す図である。図２３からわ
かるように、２つの受光素子５７ａ，５７ｂ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
５７ａ，５７ｂの出力信号Ａ_x，Ｂ_xは、１８０゜の位相
差となり、従って、２つの受光素子５７ａ，５７ｂの出
力Ａ_x，Ｂ_xの差をとり差信号（Ａ_x−Ｂ_x）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、ｘ方向
について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。同様に、図２２の構成におけるｙ方向の
受光素子５８ａ，５８ｂの出力信号Ａ_y，Ｂ_yの差をとり
(Ａ_y−Ｂ_y)とすることにより、バイアス成分を除去し、
ｙ方向についても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。これにより、より高精度にｘ方
向，ｙ方向の移動量を測定することができる。また、こ
の場合に、図２４に示すように、受光素子５７ａ，５７
ｂ，５８ａ，５８ｂ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
（Ａ_x−Ｂ_x），(Ａ_y−Ｂ_y)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５７ａ，５７ｂ，５８ａ，５８ｂ
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。

【０１３６】図２２では、ｘ方向，ｙ方向の各々につい
て、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２つの受光素子５７ａ，５７ｂ；５８
ａ，５８ｂを配置したが、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５７ａ，５７ｂ；５８ａ，５８ｂを配置すること
も可能である。すなわち、例えばｘ方向について、一方
の受光素子５７ａを例えば明の部分に配置し、他方の受
光素子５７ｂを明と暗との中間位置（光径の中間位置）
に配置すること(位相を９０゜ずらして２つの受光素子
を配置すること)も可能である。図２５には、ｘ方向に
のみ着目したときの構成が示されている。

【０１３７】図２６はｘ方向に着目したときの一方の受
光素子５７ａの出力信号Ａ_x，他方の受光素子５７ｂの
出力信号Ｂ_x，２つの受光素子５７ａ，５７ｂの出力の
差信号（Ａ_x−Ｂ_x）をそれぞれ示す図である。２つの受
光素子５７ａ，５７ｂの間隔が干渉縞のピッチの４分の
１（明暗の間隔の半分）となるよう２つの受光素子５７
ａ，５７ｂを配置すると、図２６に示すように、２つの
受光素子５７ａ，５７ｂの各出力信号Ａ_x，Ｂ_xは、９０
゜の位相差をもつことになる。すなわち、一般にエンコ
ーダに必要な９０゜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）を出力信号Ａ_x，Ｂ_xとし
て、それぞれ受光素子５７ａ，５７ｂから出力すること
ができる。

【０１３８】この場合、９０゜の位相差をもつＡ相信号
Ａ_x，Ｂ相信号Ｂ_xをｘ方向についての方向弁別信号とし
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，すなわち出力信号Ａ_x
と出力信号Ｂ_xとの差をとり差信号（Ａ_x−Ｂ_x）とする
ことで、この差信号（Ａ_x−Ｂ_x）をｘ方向における実際
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（Ａ_x−Ｂ_x）を用いることによっ
て、前述したと同様に、品質の良い正弦波を得ることが
でき、ｘ方向の移動量を高精度に測定することができ
る。

【０１３９】同様に、受光素子５８ａ，５８ｂからの出
力信号Ａ_y，Ｂ_yも９０゜の位相差をもち、これらをｙ方
向におけるＡ相信号Ａ_y，Ｂ相信号Ｂ_yとして用いること
ができ、また、これらの差信号(Ａ_y−Ｂ_y)をｙ方向にお
ける実際の移動距離の測定に用いることができる。この
ように、ｘ方向，ｙ方向の各々について、干渉縞のピッ
チの半分をへだてて２つの受光素子５７ａ，５７ｂ；５
８ａ，５８ｂを配置する構成では、回折格子の移動に関
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。

【０１４０】さらに、品質の良い（アスペクト比の高
い）信号を得るために、ｘ方向，ｙ方向の各々につい
て、隣接する素子間の間隔が干渉縞のピッチの４分の１
となるよう３つの受光素子５７ａ，５７ｂ，５７ｃ；５
８ａ，５８ｂ，５８ｃを配置することもできる。すなわ
ち、ｘ方向，ｙ方向の各々について、位相を９０゜ずら
して受光素子を等間隔に３つ配置することもできる。図
２７には、ｘ方向にのみ着目したときの構成が示されて
いる。

【０１４１】図２８は、ｘ方向に着目したときの３つの
受光素子５７ａ，５７ｂ，５７ｃの各々からの出力信号
Ａ_x，Ｂ_x，Ｃ_x，２つの受光素子５７ａ，５７ｂの出力
の差信号（Ａ_x−Ｂ_x），２つの受光素子５７ｂ，５７ｃ
の出力の差信号（Ｂ_x−Ｃ_x）をそれぞれ示す図である。
図２７のように、隣接する素子間の間隔が干渉縞のピッ
チの４分の１となるよう３つの受光素子５７ａ，５７
ｂ，５７ｃを配置すると、図２８に示すように、３つの
受光素子５７ａ，５７ｂ，５７ｃの各出力信号Ａ_x，
Ｂ_x，Ｃ_xは、９０゜の位相差となり、従って、差信号
（Ａ_x−Ｂ_x）と差信号（Ｂ_x−Ｃ_x）とは、互いに９０゜
位相差をもつとともに、より完全に近い（より品質の良
い）正弦波となる。この場合、９０゜位相差をもつ差信
号（Ａ_x−Ｂ_x），（Ｂ_x−Ｃ_x）をＡ相信号，Ｂ相信号と
して用いることで、ｘ方向について、回折格子の移動方
向を精度良く検出することができるとともに、個々の差
信号（Ａ_x−Ｂ_x），（Ｂ_x−Ｃ_x）自体により、回折格子
のｘ方向についての移動量を精度良く測定することがで
きる。同様に、３つの受光素子５８ａ，５８ｂ，５８ｃ
からの出力信号Ａ_y，Ｂ_y，Ｃ_yを用いることで、ｙ方向
についても、回折格子の移動方向を精度良く検出でき、
個々の差信号(Ａ_y−Ｂ_y)，(Ｂ_y−Ｃ_y)自体により、回折
格子のｙ方向についての移動量を精度良く測定すること
ができる。

【０１４２】さらには、図２９に示すように、ｘ方向，
ｙ方向の各々について、位相を９０゜ずらして４つの受
光素子５７ａ，５７ｂ，５７ｃ，５７ｄ；５８ａ，５８
ｂ，５８ｃ，５８ｄを等間隔に配置することもできる。
この場合、１つおきの受光素子の出力の差をＡ相信号と
し、他の１つおきの受光素子の出力の差をＢ相信号とす
ることができる。例えば、ｘ方向に着目すると、図３０
に示すように、受光素子５７ａ，５７ｃの出力Ａ_x，Ｃ_x
の差(Ａ_x−Ｃ_x)をＡ相信号とし、受光素子５７ｂ，５７
ｄの出力Ｂ_x，Ｄ_xの差(Ｂ_x−Ｄ_x)をＢ相信号とすること
ができる。同様に、ｙ方向では、受光素子５８ａ，５８
ｃの出力Ａ_y，Ｃ_yの差(Ａ_y−Ｃ_y)をＡ相信号とし、受光
素子５８ｂ，５８ｄの出力Ｂ_y，Ｄ_yの差(Ｂ_y−Ｄ_y)をＢ
相信号とすることができる。

【０１４３】なお、図２２，図２５に示したような２つ
の受光素子５７ａ，５７ｂは、これらを別々に設けるか
わりに、分割化された１つの受光デバイスで実現でき
る。例えば、２分割光検出器(２分割ＰＤ)で実現でき
る。同様に、２つの受光素子５８ａ，５８ｂも２分割Ｐ
Ｄで実現できる。また、図２７に示したような３つの受
光素子５７ａ，５７ｂ，５７ｃ(あるいは受光素子５８
ａ，５８ｂ，５８ｃ)は、例えば３分割ＰＤで実現で
き、図２９に示したような４つの受光素子５７ａ，５７
ｂ，５７ｃ，５７ｄ(あるいは受光素子５８ａ，５８
ｂ，５８ｃ，５８ｄ)は、例えば４分割ＰＤで実現でき
る。従って、これらの各受光素子は、広義に、受光部と
して捉えられるべきである。

【０１４４】また、上述の各例では、ｘ方向用の受光素
子とｙ方向用の受光素子とをそれぞれ別々に設けたが、
図３１(ａ)に示すように、ｘ方向の干渉縞とｙ方向の干
渉縞が大きく重なり合っているような場合には、ｘ方向
の２つの受光素子５７ａ，５７ｂとｙ方向の２つの受光
素子５８ａ，５８ｂとを別々に設けるかわりに、図３１
(ｂ)に示すような配置で４つの受光素子５９ａ，５９
ｂ，５９ｃ，５９ｄを設けることも可能である。この場
合、各受光素子５９ａ，５９ｂ，５９ｃ，５９ｄの出力
をそれぞれＡ_z，Ｂ_z，Ｃ_z，Ｄ_zとするとき、ｘ方向の移
動量は、例えば、(Ａ_z＋Ｂ_z)−(Ｃ_z＋Ｄ_z)の演算で検出
でき、また、ｙ方向の移動量は、例えば、(Ａ_z＋Ｄ_z)−
(Ｂ_z＋Ｃ_z)の演算で検出できる。あるいは他の例とし
て、ｘ方向の移動量を(Ａ_z−Ｄ_z)または(Ｂ_z−Ｃ_z)とし
て検出しても良いし、ｙ方向の移動量を(Ａ_z−Ｂ_z)また
は(Ｄ_z−Ｃ_z)として検出しても良い。

【０１４５】なお、図３１(ｂ)に示すような構成は、例
えば、２分割ＰＤを合成して４分割ＰＤとすることで実
現できる。また、ｘ方向に３つあるいは４つの受光素子
を設け、ｙ方向に３つあるいは４つの受光素子を設ける
場合にも、図３１(ｂ)に示したと同様のマトリックス配
置とすることができる(例えば９個あるいは１６個等の
マトリックス状受光素子配置とすることができる)。さ
らに、受光素子の配置，構成については、上記例以外の
種々の変形も可能である。

【０１４６】以上、正弦波状信号の品質を良好なものに
するための本発明による各種の信号検出の仕方を、エン
コーダ装置が図１２の構成となっている場合について説
明したが、エンコーダ装置が図１４，図１７，図１８，
図２０の構成となっている場合にも、このような各種の
信号検出の仕方を同様に適用することができる。

【０１４７】また、上述した第３，第４の実施例のエン
コーダ装置では、第１番目の回折格子５３(または第２
番目の回折格子５４)を固定し、第２番目の回折格子５
４(または第１番目の回折格子５３)を移動用としたが、
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。

【０１４８】同様に、第５の実施例において、第１，第
２番目，第３番目の回折格子５３，５４，８６のいずれ
か１つを移動用とすることもできるし、３つの回折格子
５３，５４，８６のいずれか２つ，あるいは全てを移動
用とすることもできる。

【０１４９】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。

【０１５０】

【発明の効果】以上に説明したように、請求項１記載の
発明によれば、光源からの光が入射するときにこれを回
折して第１の平面内に方向余弦をもつ第１種の回折光と
第１の平面と直交する第２の平面内に方向余弦をもつ第
２種の回折光とを発生させるクロスグレーティング構造
の回折格子を用い、該回折格子からの第１種の回折光の
中から互いに異なる２つの回折光を選択して干渉させて
第１種の干渉光とし、第１の位相変化検出手段に入射さ
せて第１種の干渉光の位相の変化を検出するようになっ
ており、また前記回折格子からの第２種の回折光の中か
ら互いに異なる２つの回折光を選択して干渉させて第２
種の干渉光とし、第２の位相変化検出手段に入射させて
第２種の干渉光の位相の変化を検出するようになってい
るので、第１種の干渉光の位相変化の検出結果と第２種
の干渉光の位相変化の検出結果とから被測定物の２次元
的な移動量等を容易に得ることができ、２次元的な移動
量等を高分解能でかつ簡単な構成で測定することができ
る。

【０１５１】また、請求項２記載の発明によれば、第１
種の回折光のうちから２つを選択し、該２つの回折光を
回折格子に戻して回折格子から光源側に該２つの回折光
の干渉光を発生させ、第１の位相変化検出手段に第１種
の干渉光として入射させ、また、前記第２種の回折光の
うちから２つを選択し、該２つの回折光を回折格子に戻
して回折格子から光源側に２つの回折光の干渉光を発生
させ、第２の位相変化検出手段に第２種の干渉光として
入射させるようになっており、回折光を元の回折格子に
戻して干渉させることで、干渉に要する距離が少なくて
済み、装置を小型化することができ、また、位相変化を
２回経験させることにより、より高感度，高分解能の測
定が可能となる。

【０１５２】また、請求項３記載の発明によれば、各回
折光を回折格子の元の回折点に戻すようになっているの
で、小面積の回折格子で済み、また、この場合であって
も、前記第１の位相変化検出手段，第２の位相変化検出
手段には第１種の干渉光，第２種の干渉光として、前記
光源からの入射光と所定の角度以上隔てたものを選択し
て入射させるので、第１種の干渉光と第２種の干渉光と
を明確に分離させて、それぞれ第１，第２の位相変化検
出手段に入射させることができる。

【０１５３】また、請求項４記載の発明によれば、第１
種の回折光，第２種の回折光を回折格子にそれぞれ戻す
のに、前記回折格子とは別体のクロスグレーティング構
造の回折格子に反射層を形成した反射手段を用いてお
り、反射手段に１つの回折格子を用いるだけで良いの
で、装置を小型かつ低コストのものにすることができ
る。

【０１５４】また、請求項５記載の発明によれば、上記
反射層は、回折格子のクロスグレーティング面とは反対
の側に平面状に設けられているので、良好な反射層をも
つ回折格子を容易に得ることができ、装置全体の低コス
ト化を図ることができる。

【０１５５】また、請求項６記載の発明によれば、光源
と、ｖ方向(ｖはｘおよびｙを表わす)にピッチΛ_v1をも
ち、光源からの光を回折してｎ_v1次光，ｎ_v2次光
（ｎ_v1，ｎ_v2は整数）の第１回折光を発生させるクロス
グレーティング構造の第１番目の回折格子と、ｖ方向に
ピッチΛ_v2をもち、第１番目の回折格子からのｎ_v1次
光，ｎ_v2次光の第１回折光をそれぞれ回折してｍ_v1次
光，ｍ_v2次光（ｍ_v1，ｍ_v2は整数）の第２回折光を発生
させるクロスグレーティング構造の第２番目の回折格子
と、該第２番目の回折格子からのｍ_v1次光とｍ_v2次光と
の間で干渉により干渉縞を発生させ、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
いるので、光源からの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
ることができる。

【０１５６】また、請求項７，９記載の発明によれば、
光源と、ｎ_v1次光，ｎ_v2次光（ｎ_v1，ｎ_v2は整数））の
第１回折光を発生させるクロスグレーティング構造の第
１番目の回折格子と、ｍ_v1次光，ｍ_v2次光（ｍ_v1，ｍ_v2
は整数）の第２回折光を発生させるクロスグレーティン
グ構造の第２番目の回折格子と、（さらには、ｌ_v1次
光，ｌ_v2次光（ｌ_v1，ｌ_v2は整数）の第３回折光を発生
させるクロスグレーティング構造の第３番目の回折格子
と、）光源からの光を第１番目の回折格子と第２番目の
回折格子と（第３番目の回折格子と）にそれぞれ２回ず
つ経験させるための反射手段と、光源からの光が第１番
目，第２番目，（第３番目）の回折格子を経験した後、
反射手段により反射されて（第３番目，）第２番目，第
１番目の回折格子を再び経験し、第１番目の回折格子か
ら出射するとき、この出射回折光により干渉縞を発生さ
せ、前記第１番目の回折格子，第２番目の回折格子，
（第３番目）の回折格子の少なくとも一つの回折格子の
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
いるので、移動量の検出感度を高め、かつ、発光ダイオ
ード等の光源が用いられる場合でも干渉縞を発生させる
ことができる。

【０１５７】また、請求項８，１０記載の発明によれ
ば、光源と、ｎ_v1次光，ｎ_v2次光（ｎ_v1，ｎ_v2は整
数））の第１回折光を発生させるクロスグレーティング
構造の第１番目の回折格子と、ｍ_v1次光，ｍ_v2次光（ｍ
_v1，ｍ_v2は整数）の第２回折光を発生させるクロスグレ
ーティング構造の第２番目の回折格子と、ｌ_v1次光，ｌ
_v2次光（ｌ_v1，ｌ_v2は整数）の第３回折光を発生させる
クロスグレーティング構造の第３番目の回折格子と、光
源からの光を第１番目の回折格子と第２番目の回折格子
とにそれぞれ２回ずつ経験させ、第３番目の回折格子に
１回経験させるための反射手段と、光源からの光が第１
番目，第２番目，第３番目の回折格子を経験し、反射手
段により反射されて第２番目，第１番目の回折格子を再
び経験し、第１番目の回折格子から出射するとき、前記
第１番目の回折格子，第２番目の回折格子，第３番目の
回折格子の少なくとも一つ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いるので、発光
ダイオード等の光源が用いられる場合でも干渉縞を発生
させることができる。

【０１５８】また、請求項１１記載の発明によれば、ク
ロスグレーティング構造の複数枚の回折格子を用い、複
数枚の回折格子の少なくとも１つ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
る情報を検出する型式のエンコーダ装置であって、第
１，第２，第３および第４の受光部を位相を９０゜ずら
して等間隔に配置し、第１の受光部の出力と第３の受光
部の出力との差をＡ相信号とし、第２の受光部の出力と
第４の受光部の出力との差をＢ相信号とするので、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(安定したＡ相信号，Ｂ相信号を得ることができ)、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。

【０１５９】また、請求項１２記載の発明によれば、ク
ロスグレーティング構造の複数枚の回折格子を用い、複
数枚の回折格子の少なくとも１つ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
る情報を検出する型式のエンコーダ装置であって、第
１，第２および第３の受光部を位相を９０゜ずらして等
間隔に配置し、隣接する第１の受光部の出力と第２の受
光部の出力との差をＡ相信号とし、隣接する第２の受光
部の出力と第３の受光部の出力との差をＢ相信号とする
ので、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(安定したＡ相信号，Ｂ相信号を得ること
ができ)、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概略構成例を示
す図である。

【図２】本発明において用いられる回折格子の斜視図で
ある。

【図３】本発明において用いられる回折格子の平面図で
ある。

【図４】表面レリーフグレーティングの作製装置の一例
を示す図である。

【図５】表面レリーフグレーティングの一例を示す図で
ある。

【図６】クロスグレーティング構造の回折格子からの回
折光を説明するための図である。

【図７】本発明に係るエンコーダ装置の第１の実施例の
構成図である。

【図８】本発明に係るエンコーダ装置の第２の実施例の
構成図である。

【図９】図８のエンコーダ装置において、ｎ_x，ｍ_x次光
の入射位置Ｐ₁とｎ_y，ｍ_y次光の入射位置Ｐ₂とを元の回
折点Ｐ₀と一致させる構成を示す図である。

【図１０】回折光の反射手段に反射型の回折格子を用い
たエンコーダ装置の構成例を示す図である。

【図１１】反射型の回折格子の一例を示す図である。

【図１２】本発明に係るエンコーダ装置の第３の実施例
の構成図である。

【図１３】図１２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１４】本発明に係るエンコーダ装置の第４の実施例
の構成図である。

【図１５】図１４のエンコーダ装置の等価的な光学系を
示す図である。

【図１６】点光源を説明するための図である。

【図１７】図１４のエンコーダ装置の変形例を示す図で
ある。

【図１８】本発明に係るエンコーダ装置の第５の実施例
の構成図である。

【図１９】図１８のエンコーダ装置の等価的な光学系を
示す図である。

【図２０】図１８のエンコーダ装置の変形例を示す図で
ある。

【図２１】図１２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２２】干渉縞のピッチの半分の間隔をへだてて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２３】図２２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２４】図２２の構成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２５】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２６】図２５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２７】隣接する素子間の間隔が干渉縞のピッチの４
分の１となるように３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２８】図２７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２９】９０゜の位相をずらして等間隔に配置された
４つの受光素子を示す図である。

【図３０】図２９の各受光素子からの出力信号を示す図
である。

【図３１】ｘ方向の干渉縞とｙ方向の干渉縞とが大きく
重なり合っている場合の受光素子の配置例を示す図であ
る。

【図３２】従来のエンコーダ装置の構成図である。

【符号の説明】

１光源２回折格子４，５ミラー６，７受光素子１１，１２，１３，１４ミラー２０反射型の回折格子３０干渉手段５２レンズ５３第１番目の回折格子５４第２番目の回折格子５７，５８受光素子８１反射手段（ミラー）８２分割手段（ビームスプリッタ）８４反射手段８６第３番目の回折格子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源と、光源からの光が入射するときに
これを回折して第１の平面内に方向余弦をもつ第１種の
回折光と第１の平面と直交する第２の平面内に方向余弦
をもつ第２種の回折光とを発生させるクロスグレーティ
ング構造の回折格子と、該回折格子からの第１種の回折
光の中から互いに異なる２つの回折光を選択して干渉さ
せて第１種の干渉光とし、また前記回折格子からの第２
種の回折光の中から互いに異なる２つの回折光を選択し
て干渉させて第２種の干渉光とする干渉手段と、第１種
の干渉光の位相の変化を検出する第１の位相変化検出手
段と、第２種の干渉光の位相の変化を検出する第２の位
相変化検出手段とを備え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、前記干渉手段は、前記第１種の回折光のうちから２
つを選択し、該２つの回折光を前記回折格子に戻して回
折格子から光源側に該２つの回折光の干渉光を発生さ
せ、前記第１の位相変化検出手段には、該干渉光が第１
種の干渉光として入射し、また、前記干渉手段は、前記
第２種の回折光のうちから２つを選択し、該２つの回折
光を前記回折格子に戻して回折格子から光源側に該２つ
の回折光の干渉光を発生させ、前記第２の位相変化検出
手段には、該干渉光が第２種の干渉光として入射するよ
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３】請求項２記載のエンコーダ装置におい
て、前記干渉手段は、前記各回折光を回折格子の元の回
折点に戻すようになっており、この場合、前記第１の位
相変化検出手段，第２の位相変化検出手段には前記第１
種の干渉光，第２種の干渉光として、前記光源からの入
射光と所定の角度以上隔てたものが選択されて入射する
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２または請求項３記載のエンコー
ダ装置において、前記干渉手段は、前記第１種の回折
光，第２種の回折光を前記回折格子にそれぞれ戻すの
に、前記回折格子とは別体のクロスグレーティング構造
の回折格子に反射層を形成した反射手段を用いているこ
とを特徴とするエンコーダ装置。
【請求項５】請求項４記載のエンコーダ装置におい
て、前記反射層は、回折格子のクロスグレーティング面
とは反対の側に平面状に設けられることを特徴とするエ
ンコーダ装置。
【請求項６】光源と、ｖ方向(ｖはｘおよびｙを表わ
す)にピッチΛ_v1をもち、光源からの光を回折してｎ_v1
次光，ｎ_v2次光（ｎ_v1，ｎ_v2は整数）の第１回折光を発
生させるクロスグレーティング構造の第１番目の回折格
子と、ｖ方向にピッチΛ_v2をもち、前記第１番目の回折
格子からのｎ_v1次光，ｎ_v2次光の第１回折光をそれぞれ
回折してｍ_v1次光，ｍ_v2次光（ｍ_v1，ｍ_v2は整数）の第
２回折光を発生させるクロスグレーティング構造の第２
番目の回折格子と、該第２番目の回折格子からのｍ_v1次
光とｍ_v2次光と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いることを特徴とするエンコーダ装
置。
【請求項７】光源と、ｖ方向(ｖはｘおよびｙを表わ
す)にピッチΛ_v1をもち、光源からの光を回折してｎ_v1
次光，ｎ_v2次光（ｎ_v1，ｎ_v2は整数）の第１回折光を発
生させるクロスグレーティング構造の第１番目の回折格
子と、ｖ方向にピッチΛ_v2をもち、前記第１番目の回折
格子からのｎ_v1次光，ｎ_v2次光の第１回折光をそれぞれ
回折してｍ_v1次光，ｍ_v2次光（ｍ_v1，ｍ_v2は整数）の第
２回折光を発生させるクロスグレーティング構造の第２
番目の回折格子と、光源からの光を前記第１番目の回折
格子と前記第２番目の回折格子とにそれぞれ２回ずつ経
験させるための反射手段と、光源からの光が第１番目，
第２番目の回折格子を経験した後、反射手段により反射
されて第２番目，第１番目の回折格子を再び経験し、第
１番目の回折格子から出射するとき、この出射回折光に
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いること
を特徴とするエンコーダ装置。
【請求項８】光源と、ｖ方向(ｖはｘおよびｙを表わ
す)にピッチΛ_v1をもち、光源からの光を回折してｎ_v1
次光，ｎ_v2次光（ｎ_v1，ｎ_v2は整数）の第１回折光を発
生させるクロスグレーティング構造の第１番目の回折格
子と、ｖ方向にピッチΛ_v2をもち、前記第１番目の回折
格子からのｎ_v1次光，ｎ_v2次光の第１回折光をそれぞれ
回折してｍ_v1次光，ｍ_v2次光（ｍ_v1，ｍ_v2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、光源から
の光を前記第１番目の回折格子に２回経験させ、前記第
２番目の回折格子に１回経験させるための反射手段と、
光源からの光が第１番目，第２番目の回折格子を経験
し、反射手段により反射されて第１番目の回折格子を再
び経験し、第１番目の回折格子から出射するとき、この
出射回折光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
していることを特徴とするエンコーダ装置。
【請求項９】光源と、ｖ方向(ｖはｘおよびｙを表わ
す)にピッチΛ_v1をもち、ｎ_v1次光，ｎ_v2次光（ｎ_v1，
ｎ_v2は整数）の第１回折光を発生させるクロスグレーテ
ィング構造の第１番目の回折格子と、ｖ方向にピッチΛ
_v2をもち、ｍ_v1次光，ｍ_v2次光（ｍ_v1，ｍ_v2は整数）の
第２回折光を発生させるクロスグレーティング構造の第
２番目の回折格子と、ｖ方向にピッチΛ_v3をもち、ｌ_v1
次光，ｌ_v2次光（ｌ_v1，ｌ_v2は整数）の第３回折光を発
生させるクロスグレーティング構造の第３番目の回折格
子と、光源からの光を第１番目の回折格子と第２番目の
回折格子と第３番目の回折格子とにそれぞれ２回ずつ経
験させるための反射手段と、光源からの光が第１番目，
第２番目，第３番目の回折格子を経験した後、反射手段
により反射されて第３番目，第２番目，第１番目の回折
格子を再び経験し、第１番目の回折格子から出射すると
き、この出射回折光により干渉縞を発生させ、前記第１
番目の回折格子，第２番目の回折格子，第３番目の回折
格子の少なくとも一つ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いることを特徴とす
るエンコーダ装置。
【請求項１０】光源と、ｖ方向(ｖはｘおよびｙを表
わす)にピッチΛ_v1をもち、ｎ_v1次光，ｎ_v2次光
（ｎ_v1，ｎ_v2は整数）の第１回折光を発生させるクロス
グレーティング構造の第１番目の回折格子と、ｖ方向に
ピッチΛ_v2をもち、ｍ_v1次光，ｍ_v2次光（ｍ_v1，ｍ_v2は
整数）の第２回折光を発生させるクロスグレーティング
構造の第２番目の回折格子と、ｖ方向にピッチΛ_v3をも
ち、ｌ_v1次光，ｌ_v2次光（ｌ_v1，ｌ_v2は整数）の第３回
折光を発生させるクロスグレーティング構造の第３番目
の回折格子と、光源からの光を第１番目の回折格子と第
２番目の回折格子とにそれぞれ２回ずつ経験させ、第３
番目の回折格子に１回経験させるための反射手段と、光
源からの光が第１番目，第２番目，第３番目の回折格子
を経験し、反射手段により反射されて第２番目，第１番
目の回折格子を再び経験し、第１番目の回折格子から出
射するとき、前記第１番目の回折格子，第２番目の回折
格子，第３番目の回折格子の少なくとも一つの回折格子
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
ていることを特徴とするエンコーダ装置。
【請求項１１】クロスグレーティング構造の複数枚の
回折格子を用い、複数枚の回折格子の少なくとも１つの
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型式のエンコーダ
装置であって、第１，第２，第３および第４の受光部を
位相を９０゜ずらして等間隔に配置し、第１の受光部の
出力と第３の受光部の出力との差をＡ相信号とし、第２
の受光部の出力と第４の受光部の出力との差をＢ相信号
とすることを特徴とするエンコーダ装置。
【請求項１２】クロスグレーティング構造の複数枚の
回折格子を用い、複数枚の回折格子の少なくとも１つの
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型式のエンコーダ
装置であって、第１，第２および第３の受光部を位相を
９０゜ずらして等間隔に配置し、隣接する第１の受光部
の出力と第２の受光部の出力との差をＡ相信号とし、隣
接する第２の受光部の出力と第３の受光部の出力との差
をＢ相信号とすることを特徴とするエンコーダ装置。