WO2006064801A1 - 光電式エンコーダ - Google Patents

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WO2006064801A1
WO2006064801A1 PCT/JP2005/022876 JP2005022876W WO2006064801A1 WO 2006064801 A1 WO2006064801 A1 WO 2006064801A1 JP 2005022876 W JP2005022876 W JP 2005022876W WO 2006064801 A1 WO2006064801 A1 WO 2006064801A1
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light
photoelectric encoder
displacement
index
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PCT/JP2005/022876
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Toru Imai
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Nikon Corporation
Sendai Nikon Corporation
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    • G01D5/347—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells using displacement encoding scales
    • G01D5/34746—Linear encoders

Definitions

  • the present invention relates to a photoelectric encoder.
  • Patent Document 1 discloses a photoelectric encoder that converts displacement of a movable body into a signal.
  • This photoelectric encoder projects illumination light onto a moving grating (reference numeral 15 in FIG. 1 of Patent Document 1) that moves with the movable body and a fixed index grating (reference numeral 14 in FIG. 1 of Patent Document 1).
  • a moving grating reference numeral 15 in FIG. 1 of Patent Document 1
  • a fixed index grating reference numeral 14 in FIG. 1 of Patent Document 1
  • the intensity of the illumination light transmitted through both is detected by a light receiving element (reference numeral 16 in FIG. 1 of Patent Document 1).
  • the output signal from the light receiving element periodically changes as the moving grating moves. Therefore, a minute movement amount of the movable body can be detected from the intensity of this signal.
  • this type of photoelectric encoder is devised as follows.
  • output signals from the respective light receiving surfaces periodically change at phases different from each other as the movable body moves. Therefore, the moving amount and moving direction (that is, displacement) of the movable body can be detected from the intensity of these signals.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2002-243503
  • an object of the present invention is to provide a photoelectric encoder that can accurately generate a signal representing a displacement of a movable body even when a posture variation occurs in a lattice.
  • a photoelectric encoder includes a light source that emits illumination light, a moving grid that has a grid line and is displaceable in a direction intersecting the grid line, and a displacement of the moving grid
  • a light source that emits illumination light
  • a moving grid that has a grid line and is displaceable in a direction intersecting the grid line, and a displacement of the moving grid
  • An index grating serving as a reference for the above
  • a light receiver that receives the illumination light that has passed through the moving grating and the index grating
  • a modulator that periodically changes the light emitted from the index grating
  • the light receiver And a displacement detection device that detects the displacement of the moving grating based on the illumination light received in step (b).
  • the modulation device may periodically modulate the relative positional relationship between the index grating and the illumination light incident on the index grating.
  • the modulation device may periodically change the position of the index grating.
  • the modulation device may periodically change an angle of the illumination light incident on the index grating or the moving grating from the light source.
  • the light source can emit a plurality of the illumination lights having different angles, and the modulation device periodically switches the plurality of the illumination lights. May be.
  • the moving grating and the index grating are diffraction gratings, and an optical that forms a grating image of the index grating on the moving grating with a pair of diffraction lights generated in the index grating.
  • a system may be arranged.
  • the modulation device may periodically change the position of the grating image or the projection image of the index grating on the moving grating.
  • the optical system may include a reflecting member that deflects the pair of diffracted lights in order to superimpose the pair of diffracted lights in the same region on the moving grating. Good.
  • the modulation device may periodically change a phase difference between the pair of diffracted lights.
  • the modulation device performs a periodic change with a waveform in which rising and falling are symmetrical, and the displacement detection device has an intensity of the illumination light received by the light receiver. Time A specific frequency component of the intermittent change may be extracted as the displacement signal.
  • the modulation device performs the periodic change in a waveform in which rising and falling are asymmetrical
  • the displacement detection device is configured to transmit the illumination light received by the light receiver.
  • the phase of the intensity change over time may be extracted as the displacement signal.
  • the displacement detection device generates the periodic change amplitude signal together with the displacement signal, monitors the amplitude signal, and modulates the modulation signal so as to be constant. You may further provide the control apparatus which controls an apparatus.
  • the displacement detection device generates a light amount signal of the illumination light together with the displacement signal, monitors the light amount signal, and makes it constant. You may further provide the control apparatus which controls the said light source.
  • the photoelectric encoder includes a light source that emits illumination light, a scale having a pattern arranged in a predetermined direction, and a displacement that is relatively displaced with respect to the scale.
  • a reference member serving as a reference
  • a light receiver that receives the illumination light that has passed through the scale and the reference member, and the illumination light is moved in the displacement direction while the scale and the reference member are relatively displaced.
  • a displacement detector for detecting relative displacement between the scale and the reference member based on the illumination light received by the light receiver.
  • the modulation device may periodically modulate the relative positional relationship between the reference member and illumination light incident on the reference member.
  • the modulation device may periodically modulate an incident angle of the illumination light with respect to the reference member.
  • the modulation device may be the index grating or an actuator that varies illumination light with respect to the index grating.
  • the illumination light source may be a point light source array, and the modulation device may drive a point light source of the point light source array.
  • the index grating can be illuminated with illumination light to form a grating image or projection image of the index grating on the moving grating.
  • a photoelectric encoder capable of accurately generating a signal representing the displacement of the movable body even when the posture of the lattice is changed is realized.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of an encoder according to a first embodiment.
  • FIG. 3 (a) to (e) are diagrams showing time-varying waveforms of the interference signal I when the displacement X of the moving diffraction grating 15 of the first embodiment is at each value.
  • FIG. 4 is a diagram showing a concept of extraction operation by a primary component detection circuit 22 and a secondary component detection circuit 23.
  • FIG. 5 (a) and (b) are diagrams illustrating an encoder according to a second embodiment.
  • FIG. 6 is a configuration diagram of an encoder according to a third embodiment.
  • FIG. 7] (a) to (c) are diagrams showing time-varying waveforms of the interference signal I when the displacement X of the moving diffraction grating 15 of the third embodiment is at each value.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining a modification of the encoder of the first embodiment or the third embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an encoder according to a fourth embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating an encoder according to a fifth embodiment.
  • FIG. 11 (a) and (b) are diagrams for explaining a method of realizing various modulation waveforms in the encoder of the fifth embodiment.
  • the present embodiment is an embodiment of a diffracted light interference type photoelectric linear encoder.
  • the optical system portion of the encoder includes a light source 11, a collimator lens 12, an index diffraction grating 13 as a reference member, mirrors 14A and 14B, a moving diffraction grating 15 as a scale, a light receiving element 16, and the like.
  • the index diffraction grating 13 functions as a light separation element that separates the light emitted from the light source 11 into a plurality of lights.
  • An optical system portion of the encoder is provided with an actuator 17 for vibrating the index diffraction grating 13.
  • the direction in which the index diffraction grating 13 vibrates is parallel to the grating forming surface of the index diffraction grating 13 and is perpendicular to the grating lines.
  • the indettas diffraction grating 13 and the moving diffraction grating 15 are transmission type diffraction gratings, for example, phase type diffraction gratings.
  • the grating pitches p of the index diffraction grating 13 and the moving diffraction grating 15 are the same, and are set to 50 ⁇ or less, for example, about 8 ⁇ .
  • the actuator 17 as a modulation device is made of, for example, a piezo element, and can vibrate with a vibration width: several / m and a frequency: about 20 to 30 kHz.
  • the moving diffraction grating 15 is displaced together with a movable body (measuring object) (not shown).
  • the displacement direction is parallel to the grating forming surface of the moving diffraction grating 15 and is perpendicular to the grating lines.
  • the moving direction of the moving diffraction grating 15 is the X direction
  • the grating line direction of the moving diffraction grating 15 is the Y direction
  • the normal direction of the moving diffraction grating 15 is the Z direction.
  • An XYZ Cartesian coordinate system is presented. Hereinafter, this orthogonal coordinate system will be used as necessary.
  • the encoder includes, as circuit parts, a light receiving circuit 21, a primary component detection circuit 22, a secondary component detection circuit 23, a tertiary component detection circuit 24, a quaternary component detection circuit 25, a clock, and the like.
  • the light source 11 emits illumination light.
  • the illumination light becomes parallel light by the collimator lens 12 and enters the index diffraction grating 13, and diffracted light of each order is generated by the diffraction action of the index diffraction grating 13.
  • the index diffraction grating 13 generates ⁇ first-order diffracted light based on the incident light.
  • the index diffraction grating 13 does not generate light other than ⁇ 1st order diffracted light, for example, 0th order light or ⁇ 2nd order or higher order diffracted light, or is extremely weak compared to the intensity of ⁇ 1st order diffracted light, 0th order light.
  • the ⁇ first-order diffracted light generated by the index diffraction grating 13 is individually deflected by the mirrors 14A and 14B, and then superimposed on the same area of the moving diffraction grating 15, and the index image of the index diffraction grating 13 is placed in this area.
  • the ⁇ 1st-order diffracted light is incident on the same position of the moving diffraction grating 15, and the ⁇ 1st-order diffracted light incident on this position is diffracted again by the diffractive action of the moving diffraction grating 15 and interferes with each other. 16 is incident.
  • the light receiving element 16 outputs a signal indicating the interference intensity of the interference light that has passed through the moving diffraction grating 15 (hereinafter referred to as “interference signal I”).
  • the actuator 17 is driven while the moving diffraction grating 15 is displaced with respect to the index diffraction grating 13.
  • the actuator 17 is periodically modulated in the direction of the position force of the index diffraction grating 13, and the phase difference of ⁇ first-order diffracted light is periodically modulated.
  • the phase of the grating image on the moving diffraction grating 15 is periodically modulated (by this, the light-dark pattern of the grating image is periodically modulated in the X direction. ). Therefore, the interference signal I changes with time. The details will be described below.
  • the interference signal I ⁇ [-3 ⁇ 4 ⁇ ⁇ / ⁇ ] ⁇ ' ⁇ (2) Therefore, the interference signal I is expressed as a function of the displacement X of the moving diffraction grating 15 as shown in the following equation (3).
  • the time-varying waveform at the position of the index diffraction grating 13 during this modulation (hereinafter referred to as the “modulation waveform”) is a sine wave (sin ⁇ t) with an angular frequency ⁇ and an amplitude ⁇ (half amplitude is ⁇ ⁇ 2). ).
  • the modulation degree 2 ⁇ ! 2 ⁇ ⁇ ⁇ as an index indicating the width of the amplitude ⁇ relative to the grating pitch p.
  • the phase of the + 1st order diffracted light and the phase of the 1st order diffracted light are modulated in opposite directions. In other words, the phase difference between the + 1st order diffracted light and the 1st order diffracted light is modulated.
  • the complex amplitude I of the + first-order diffracted light and the complex amplitude I of the first-order diffracted light are expressed by the following equations (4) and (5).
  • the interference signal I is expressed as a function of the displacement x of the moving diffraction grating 15 and the time t as shown in the following equation (8).
  • J is the nth-order Bessel expansion coefficient and takes a constant value as long as the modulation factor 2d is constant.
  • the nth-order component I is the angular frequency ⁇ ⁇ and temporally ⁇
  • the intensity of the changing frequency component is the intensity of the changing frequency component.
  • the specific frequency component (for example, the primary component I) of the temporal change in the interference signal I and the other specific frequency component (for example, the secondary component I) are shifted by 90 °.
  • this encoder can be used as a sine signal and a cosine signal representing the displacement X in phase.
  • this encoder changes the interference signal I from the light receiving element 16 with time even though it has only one light receiving element 16. Therefore, the sine signal and cosine signal are It becomes possible to obtain both.
  • the temporally changing waveform of the interference signal I when the displacement X of the moving diffraction grating 15 is at each value is as shown in FIG.
  • Fig. 3 (a), (b), (c), (d), (e) the displacement x of the moving diffraction grating 15 (angle expression of displacement x) is -81 °, -36 °
  • the time-varying waveforms of the interference signal I at 0 °, 36 °, and 81 ° are shown.
  • Figures 3 (a), (b), (c), (d), and (e) show the displacement of the moving diffraction grating 15 in the upper left figure, and the lower figure shows the modulation waveform, that is, the index.
  • the waveform of the modulation applied to the diffraction grating 13 is shown, and the figure surrounded by the dotted line in the upper right is the waveform of the interference signal I in that case.
  • the light quantity control circuit 32 drives and controls the light source 11 via the light source drive circuit 30. In this control, control is performed to keep the amount of illumination light constant.
  • the modulation degree control circuit (control device) 28 gives a modulation signal composed of a sine wave to the actuator drive circuit 29 in accordance with the sine wave signal (sin ct) of the angular frequency ⁇ given from the clock circuit 26.
  • the actuator 17 is driven and controlled. Thereby, the position of the index diffraction grating 13 in the X direction is periodically modulated. In this control, control is also performed to keep the modulation factor 2d of the periodic modulation at a constant value.
  • the target value of modulation depth 2d is set to “2.3”. At this time, the Bessel expansion coefficient “J” is 0 as shown by an arrow in FIG.
  • the light receiving circuit 21 continuously drives the light receiving element 16 and continuously takes in the interference signal I output from the light receiving element 16 to obtain a zero-order component detection circuit 31, a first-order component detection circuit 22, 2 This is applied to the second component detection circuit 23, the third component detection circuit 24, and the fourth component detection circuit 25, respectively. At least two of these detection circuits function as a displacement detection device for the moving diffraction grating 15.
  • the zero-order component detection circuit 31 extracts the zero-order component I from the temporal change of the given interference signal I.
  • the primary component detection circuit 22 detects the change of the interference signal I over time.
  • the secondary component detection circuit 23 detects the interference signal I from the temporal change.
  • the third-order component detection circuit 24 determines whether the interference signal I changes over time.
  • the tertiary component I is extracted.
  • the fourth-order component detection circuit 25 detects the temporal change in the interference signal I.
  • FIG. 4 shows the concept of the extraction operation by the primary component detection circuit 22 and the secondary component detection circuit 23 on behalf of these circuits.
  • the primary component detection circuit 22 receives a pulse signal (shown as "sin co” in Fig. 4) having an angular frequency ⁇ from the clock circuit 26.
  • the primary component detection circuit 22 The pulse signal and the interference signal I from the light receiving circuit 21 are combined, smoothed by a low-pass filter (LPF), and the primary component I
  • the secondary component detection circuit 23 is indicated as a pulse signal (“cos2 cot” in FIG. 4) having an angular frequency of 2 ⁇ from the clock circuit 26 and a phase shifted by 90 ° from the pulse signal. ) Is entered.
  • the secondary component detection circuit 23 synthesizes this pulse signal and the interference signal I from the light receiving circuit 21, smooths it with a low-pass filter (LPF), and extracts the secondary component I.
  • LPF low-pass filter
  • the encoder output processing circuit 27 of this system takes in the extracted primary component I and secondary component I, and
  • a sine signal Ss indicating the value of / ⁇ ) and a cosine signal Sc indicating the value of cos (4 ⁇ / ⁇ ) are generated.
  • These sine signal Ss and cosine signal Sc are generated by the interference signal I from the same light receiving element 16 (generated by the illumination light that has passed through the same region of the moving diffraction grating 15). Even if the attitude of the diffraction grating 15 changes, the phase relationship between the two does not change.
  • the modulation degree control circuit 28 includes the extracted first-order component I, second-order component I, third-order component I, fourth-order
  • the control circuit 28 controls the actuator drive circuit 29 so that the monitored modulation degree 2d approaches the target value “2.3” described above. As a result, the modulation degree 2d is maintained at a constant value (2.3) (feedback control is performed).
  • the light quantity control circuit 32 takes in the extracted 0th-order component I and changes the 0th-order component I.
  • the measurement condition of the optical system part is kept constant during periodic modulation, so that the signal required for this encoder (that is, the temporal change of the interference signal I) is increased. It can be detected with accuracy. Therefore, the above sine signal Ss and cosine signal Sc generated by this encoder accurately represent the displacement X of the moving diffraction grating 15.
  • an index diffraction grating having a grating pitch of 1/2 pitch may be used.
  • FIG. 5 (a) is a configuration diagram of the optical system portion of the encoder. As shown in Fig. 5 (a), the optical system part of this encoder is used to vibrate light source 11, collimator lens 12, index grating 13 ', moving grating 15', light receiving element 16, and index grating 13 '. Such as the Actuator 17 is provided. The position of the index grating 13 ′ in the X direction is periodically modulated with the same modulation waveform as in the first embodiment.
  • the image formed on the moving grating 15 ' is a simple projected image of the index grating 13' that is not the grating image of the index grating 13 '. (So-called “shadow”). Therefore, the mirrors 14A and 14B for deflecting the pair of diffracted lights are unnecessary.
  • the light source 11 it is possible to use a light source having low coherence (such as an LED).
  • a light-dark grating having a sufficiently large grating pitch (a grating made up of a light shielding part and a transmission part) is used.
  • Illumination light emitted from the light source 11 becomes parallel light at the collimator lens 12, enters the index grating 13 ′, and passes through the bright part of the grating.
  • the illumination light transmitted through the index grating 13 ′ is incident on the moving grating 15 ′ to form a projection image of the index grating 13 ′.
  • the illumination light transmitted through both the index grating 13 ′ and the moving grating 15 ′ enters the light receiving element 16.
  • the light receiving element 16 outputs a signal indicating the incident intensity of the illumination light (hereinafter referred to as “intensity signal f”).
  • the actuator 17 when the actuator 17 is driven, it is periodically modulated in the direction of the position force of the index grating 13 ′, and the position of the projected image on the moving grating 15 ′ is periodically modulated. (Thus, the light / dark pattern of the projected image on the moving grating 15 'is periodically modulated). Therefore, the intensity signal f from the light receiving element 16 changes with time.
  • this intensity signal is processed by a circuit portion (not shown), and its zero-order component f, primary component f, secondary component f,... Are extracted.
  • the displacement in the X direction of the moving grating 15 'with respect to the index grating 13' is set as X
  • the waveform that changes according to the displacement X of the unmodulated intensity signal f is expressed as f (x )
  • the temporal change of the intensity signal f during the periodic modulation is expanded as shown in the following equation (11).
  • the modulation waveform of this encoder is dsin (cot).
  • the waveform “f (x)” that changes due to the displacement X of the intensity signal f during non-modulation is pseudo-signed.
  • Figure 5 (b) shows a waveform that changes with the displacement X of the first-order component f and the intensity signal during non-modulation.
  • the waveform changed by the displacement X of No. f is expressed in the same coordinates. Therefore, also in this encoder, as in the first embodiment, it is possible to generate a sine signal Ss and a cosine signal Sc that accurately represent the displacement X with mutually different phases.
  • the light transmitted through the index grating 13 ′ is incident on the moving grating 15 ′.
  • the index grating 13 ′ is disposed after the moving grating 15 ′, and the position of the index grating 13 ′ is determined. It may be modulated by the actuator 17.
  • the difference is in the circuit part.
  • FIG. 6 is a configuration diagram of the encoder.
  • the clock circuit 26, the primary component detection circuit 22, the secondary component detection circuit 23, the tertiary component detection circuit 24, and the quaternary component detection circuit 25 are omitted, and a sawtooth wave is used instead.
  • a generator circuit 40 is provided.
  • the modulation degree control circuit (control device) 28 supplies a modulation signal corresponding to the signal supplied from the sawtooth wave generation circuit 40 to the actuator drive circuit 29, and drives and controls the actuator 17.
  • the modulation degree 2d of this periodic modulation is set to 2 ⁇ .
  • the waveform of the temporal change of the interference signal I when the displacement X of the moving diffraction grating 15 is at each value is as shown in FIG. 7 (a), (b), and (c), the displacement x of the moving diffraction grating 15 (angle expression of the displacement X) is -81 °, —36 °, 0 °
  • the waveforms of the change over time of the interference signal I are shown. Note that the notation in Fig. 7 is the same as that in Fig. 3.
  • the waveform of the temporal change in the interference signal I is the same regardless of the value of the displacement X. Is different.
  • the light receiving circuit 21 in FIG. 6 continuously drives the light receiving element 16 and continuously captures the interference signal I output from the light receiving element 16, and the encoder signal processing circuit 27, the modulation degree control circuit 28, This is given to the zero-order component detection circuit 31.
  • the encoder signal processing circuit 27 extracts the phase of the waveform from the temporal change of the given interference signal I. This phase represents the displacement X of the moving diffraction grating 15 itself.
  • the modulation degree control circuit 28 monitors the presence or absence of an inflection point of the waveform from the temporal change of the given interference signal I. Then, the actuator drive circuit 29 is controlled so that the inflection point is reduced. As a result, the modulation factor 2d is maintained at a constant value (2 ⁇ ) (feedback control is performed).
  • the zero-order component detection circuit 31 extracts the zero-order component I from the temporal change of the given interference signal I.
  • the light quantity control circuit 32 takes in this zero-order component I and changes the zero-order component I.
  • the light source driving circuit 30 is controlled in a direction in which the movement is suppressed. As a result, the amount of illumination light is kept constant (feedback controlled). As described above, according to this encoder, the same effects as those of the first embodiment can be obtained with a relatively simple circuit configuration.
  • the circuit portion of the first embodiment is changed.
  • the circuit portion of the second embodiment may be similarly changed.
  • the modulation degree 2d is set to 2 ⁇ , but the same effect can be obtained even if it is set to an integral multiple of 2 ⁇ .
  • the actuator 17 in order to periodically modulate the phase difference of ⁇ first-order diffracted light (in order to periodically modulate the phase of the grating image).
  • the force obtained by periodically modulating the position of the index diffraction grating 13 by the actuator 17 As shown in FIG. 8, the actuator 17 is omitted, and the electro-optic element ( ⁇ ) Etc. may be inserted to periodically modulate one optical path length of the soil first-order diffracted light.
  • the electro-optic element corresponds to a modulation device that periodically changes the light emitted from the index grating.
  • the phase difference of the ⁇ 1st-order diffracted light is periodically modulated, the same effect as the above-described embodiment can be obtained.
  • the first embodiment or the third embodiment in order to periodically modulate the phase difference between the + first-order diffracted light and the first-order diffracted light (in order to periodically modulate the phase of the grating image)
  • Other methods or modulation devices may be employed.
  • a difference is provided in advance between the optical path length of the + first-order diffracted light and the optical path difference of the first-order diffracted light, and the wavelength of the light source 11 is periodically modulated.
  • there are various methods for providing a difference between the optical path lengths of two optical paths for example, a method of inserting a parallel plate only in one optical path.
  • the secondary component detection circuit 23 the tertiary component detection circuit 24, and the quaternary component detection circuit 25 of the first embodiment and the second embodiment.
  • synchronous detection is performed.
  • other methods such as an amplitude measurement method such as AC measurement, an amplitude measurement method at a specific phase or a specific time, and the like may be applied.
  • the modulation direction of the index diffraction grating 13 is made to coincide with the X direction (that is, coincident with the movement direction of the moving diffraction grating 15 or the moving grating 15 ′).
  • the index diffraction grating 13 (or index grating 13 ') is periodically swung around a predetermined axis (for example, periodically rotated around an axis parallel to the Y axis). The same effect can be obtained.
  • the modulation waveform is set to a sine wave, but may be set to another waveform in which rising and falling are symmetrical. For example, it may be set to a triangular wave.
  • the modulation waveform is set to a sawtooth shape, but may be set to another waveform in which the rise and fall are asymmetric.
  • the encoder of any of the embodiments described above may be devised to improve the detection accuracy of displacement.
  • an optical system fixed index grating for correction
  • the output signal of that optical system is given to the modulation degree control circuit 28 to keep the offset constant.
  • the modulation degree control circuit 28 may be controlled so as to maintain the above.
  • the rotary encoder may be configured by applying the linear encoder of any of the above-described embodiments.
  • the present embodiment is an embodiment of a diffracted light interference type photoelectric linear encoder.
  • FIG. 1 first embodiment
  • FIG. 9 is a configuration diagram of an optical system portion of the encoder.
  • an actuator 17 as a modulation device of this encoder vibrates a light source 11 instead of the index diffraction grating 13.
  • the incident angle of the illumination light incident on the index diffraction grating 13 from the collimator lens 12 is periodically modulated in the direction indicated by the arrow in FIG.
  • the present encoder can provide substantially the same effect as that of the first embodiment.
  • this embodiment is a modification of the optical system portion of the first embodiment (diffracted light interference method), but other embodiments with different principles (shadow method) and other circuits with different circuit portions.
  • the optical system portion of this embodiment may be similarly changed.
  • the position of the light source 11 is modulated.
  • a bending mirror M is disposed between the collimator lens 12 and the index diffraction grating 13, and If the mirror M is swung in the direction of the arrow by the actuator 17, the incident angle of the illumination light can be similarly modulated.
  • the swing fulcrum is, for example, point A in the figure.
  • the position of the light source 11 is modulated.
  • the light source 11 is arranged at a position away from the encoder, the emitted light from the light source 11 is guided by an optical fiber, and the position of the emission end is determined. If it modulates, the incident angle of illumination light can be similarly modulated.
  • the surface of the crystal unit coated with a reflective film may be used, and the illumination light may be modulated by vibrating the crystal unit itself.
  • FIG. 10 is a configuration diagram of the optical system portion of the encoder. As shown in FIG. 10, the encoder 17 is omitted in this encoder, and a point light source array 11 ′ is provided instead of the light source 11.
  • This point light source array 11 ′ is driven by a light source driving circuit (not shown).
  • the light source driving circuit switches a light source to be turned on (that is, a lighting position) among a plurality of point light sources in the point light source array 11. If the temporal change pattern of the lighting position has periodicity, it is possible to periodically modulate the incident angle of the illumination light as in the case where the position of the light source 11 is periodically modulated in the fourth embodiment. S can. Therefore, in this embodiment, the light source driving circuit functions as a modulation device that periodically changes the light emitted from the index grating.
  • the modulation frequency of the modulation can be higher than that of the first embodiment. For example, it can be in the order of MHz. Therefore, in this encoder, as long as the apparent arrangement pitch P ′ of a plurality of point light sources is set sufficiently small, the same effect as the first embodiment and the effect of shortening the time until signal generation can be obtained. can get.
  • the encoder does not modulate the position of the object, the degree of modulation 2d, the center position (offset) of periodic modulation, etc., are constant without performing feedback control as in the first embodiment. Can be kept in. Therefore, in this encoder, the circuit portion can be simplified while obtaining the same effect as that of the first embodiment.
  • the position of the point light source array 11 ′ with respect to the collimator lens 12 may be inclined in order to set the apparent arrangement pitch P ′ of the plurality of point light sources to be small.
  • this embodiment is a modification of the optical system portion of the first embodiment (diffraction interference method), but other embodiments with different principles (shadow method) and different circuit portions (ie, The optical system portions of other embodiments (different modulation waveforms) may be similarly changed.
  • a method for realizing various modulation waveforms in the encoder is as follows, for example.
  • the number of point light sources in the point light source array 11 ′ is 7, and the positions of these seven point light sources are arranged in order “1”, “2”, “3”, “4”, “5”. , “6”, “7”, the temporal change pattern of lighting position is changed from “1” ⁇ “2” ⁇ “3” ⁇ “4” ⁇ “5” ⁇ “6” ⁇ “ 7 '' ⁇ ⁇ 1 '' ⁇ ⁇ 2 '' ⁇ ⁇ 3 ⁇ 4 ⁇ 5 ⁇ 6 ⁇ 7 ⁇ 1 ⁇ 2 ⁇ 3 ⁇ 4 ⁇ 5 ⁇ 6 ⁇ 7 ⁇ 7 ⁇ 1 ⁇ If so, a sawtooth modulation waveform can be realized.
  • a simple temporal change pattern (“4” ⁇ “3” ⁇ “2” ⁇ “1” ⁇ “2” ⁇ “3” ⁇ “4” ⁇ “ If “5” ⁇ “6” ⁇ “7” ⁇ “6” ⁇ “5” ⁇ “4” ⁇ ”) Is adopted, a triangular waveform can be realized. If a temporal change pattern as shown in Fig. 11 (b) is adopted, a sinusoidal modulation waveform can be realized. In this temporal change pattern, the lighting time differs depending on the lighting position. In FIGS. 11 (a) and 11 (b), the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the lighting position (point light source number).
  • the modulator that periodically changes the light emitted from the index grating uses the actuator EOM, but is not limited thereto, and the index grating force is periodically emitted. Any device or device can be used as long as it can be changed. From another point of view, it may be a modulation device that periodically modulates the relative positional relationship between the index grating and the illumination light incident on the index grating.
  • the above-mentioned actuator EOM also has such a force. For example, only the incident position or direction of light directed from the illumination light source to the index grating without displacing or moving the illumination light source and the index grating is used. Optical elements such as mirrors and prisms that deflect periodically may be used.
  • the index grating itself may have a function of periodically changing the light emitted therefrom.
  • the primary and secondary component detection circuits or the zero order component detection circuit is used as the displacement detection device for detecting the displacement of the moving grid.
  • the present invention is not limited to this, and the displacement of the moving grid is detected. Any device or device that can be used can be used.
  • the light receiving element itself may have such a function.
  • the configuration in which the moving diffraction grating 15 is displaced with respect to the optical system portion of the encoder has been described.
  • the moving diffraction grating 15 is fixed (the fixed moving diffraction grating can be treated as a fixed diffraction grating).
  • the optical system portion of the encoder may be displaced with a movable body (measuring object) (not shown) with respect to the fixed diffraction grating.
  • a diffraction grating is used as the light separation element.
  • the configuration is not limited.
  • a beam splitter that splits coherent light emitted from a light source into two may be used as the light separation element. Even when a beam splitter is used, each of the two lights divided by the beam splitter may be overlapped and interfered with each other in the same region on the moving diffraction grating 15.
  • the diffraction grating is used as the scale.
  • a pattern in which a light transmitting portion and a light shielding portion for example, a region formed of chromium
  • the index diffraction grating 13 and the moving diffraction grating 15 are phase gratings, but may be amplitude diffraction gratings.
  • the transmission diffraction grating 15 is described as an example of the transmission diffraction grating, but the movement diffraction grating 15 may be a reflection diffraction grating.
  • the light receiving element 16 may be disposed on the index diffraction grating 13 side.
  • the positional relationship between the index diffraction grating 13 and the moving diffraction grating 15 may be reversed. That is, the diffraction grating on which the illumination light emitted from the light source 11 is incident may be a moving diffraction grating, and the diffraction grating on which the diffracted light generated by the diffraction grating is incident may be an index diffraction grating.
  • the light source 11, the collimator lens 12, the moving diffraction grating 15, the index diffraction grating 13, and the light receiving element 16 may be arranged in the order IJ.
  • the pitches of the index diffraction grating 13 and the moving diffraction grating 15 are not necessarily the same. That is, the pitch of the index diffraction grating 13 and the moving diffraction grating 15 may be different from each other. In this case, the exit direction of the diffracted light generated by the index diffracted light 13 and the moving diffraction grating 15 is determined by the wavelength ⁇ of the light and the pitch thereof.
  • the arrangement relationship between the optical system and the light receiving element 16 may be appropriately determined according to the pitch of each diffraction grating.
  • this photoelectric encoder is particularly useful in various environments where the attitude of the lattice is likely to change.

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Abstract

　光電式エンコーダは、照明光源１１と、格子線と交差する方向に変位可能な移動格子１５と、移動格子（１５）の変位の基準となるインデックス格子（１３）と、前記移動格子（１５）及び前記インデックス格子（１３）を経由した前記照明光を受光する受光素子（１６）と、前記インデックス格子（１３）から射出する光を周期的に変化させる変調装置（１７）と、前記受光素子（１６）で受光した前記照明光の強度の時間変化に基づいて、前記移動格子の変位を検出する変位検出装置（２２，２３）とを有する。格子に姿勢変動が生じたとしても可動体の変位を表す信号を正確に生成することができる。

Description

明 細 書
光電式エンコーダ
技術分野
[0001] 本発明は、光電式エンコーダに関する。
背景技術
[0002] 特許文献 1には、可動体の変位を信号化する光電式エンコーダが開示されている 。この光電式エンコーダは、可動体と共に移動する移動格子（特許文献 1の図 1の符 号 15)と、固定されたインデックス格子 (特許文献 1の図 1の符号 14)とに照明光を投 光し、両者の格子のずれ量を示す情報として、両者を透過した照明光の強度を受光 素子（特許文献 1の図 1の符号 16)で検出するものである。この受光素子からの出力 信号は、移動格子の移動に伴って周期的に変化する。よって、この信号の強度から、 可動体の微小な移動量を検知することができる。
[0003] 一般に、この種の光電式エンコーダには、次のような工夫が施されている。すなわ ち、移動格子及びインデックス格子上の各領域を個別に透過した各照明光の強度を 受光素子の複数の受光面にて個別に検出すると共に、移動格子及びインデックス格 子の格子パターンの配列を、前述した格子のずれ量が領域間で少しずつずれるよう に設定している。このとき、各受光面からの出力信号は、可動体の移動に伴って互い に異なる位相でそれぞれ周期的に変化する。よって、これらの信号の強度から、可動 体の移動量と移動方向（つまり変位）を検知することができる。
特許文献 1 :特開 2002— 243503号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0004] しかし、この光電式エンコーダでは、互いに異なる位相の信号を生成するために、 移動格子上の互いに異なる領域を透過した照明光を用いてレ、るので、その移動格 子の姿勢が変動すると、それら信号の位相関係が変動し、変位の検知精度が悪くな るという問題がある。そこで本発明は、格子に姿勢変動が生じたとしても可動体の変 位を表す信号を正確に生成することのできる光電式エンコーダを提供することを目的 とする。
課題を解決するための手段
[0005] 本発明の第 1の態様に従う光電式エンコーダは、照明光を出射する光源と、格子線 を有し且つ前記格子線と交差する方向に変位可能な移動格子と、前記移動格子の 変位の基準となるインデックス格子と、前記移動格子及び前記インデックス格子を経 由した前記照明光を受光する受光器と、前記インデックス格子から射出する光を周 期的に変化させる変調装置と、前記受光器で受光した前記照明光に基づいて前記 移動格子の変位を検出する変位検出装置とを有することを特徴とする。
[0006] なお、この光電式エンコーダにおいて、前記変調装置は、前記インデックス格子と 該インデックス格子に入射する前記照明光との相対的な位置関係を周期的に変調さ せてもよレ、。また、この光電式エンコーダにおいて、前記変調装置は、前記インデック ス格子の位置を周期的に変化させてもよい。また、この光電式エンコーダにおいて、 前記変調装置は、前記光源から前記インデックス格子又は前記移動格子へ入射す る前記照明光の角度を、周期的に変化させてもよい。
[0007] また、この光電式エンコーダにおいて、前記光源は、互いに異なる角度の複数の前 記照明光を出射することが可能であり、前記変調装置は、前記複数の前記照明光を 周期的に切り替えてもよい。また、この光電式エンコーダにおいて、前記移動格子及 び前記インデックス格子は、回折格子であり、前記インデックス格子で生じた 1対の回 折光で前記移動格子上に前記インデックス格子の格子像を形成する光学系が配置 されていてもよい。
[0008] また、この光電式エンコーダにおレ、て、前記変調装置は、前記移動格子上の前記 インデックス格子の格子像または投影像の位置を周期的に変化させてもよい。また、 この光電式エンコーダにおいて、前記光学系は、前記 1対の回折光を前記移動格子 上の同じ領域で重ね合せるために、前記一対の回折光をそれぞれ偏向する反射部 材を有してもよい。また、この光電式エンコーダにおいて、前記変調装置は、前記 1 対の回折光の間の位相差を周期的に変化させてもよい。また、この光電式ェンコ一 ダにおいて、前記変調装置は、立ち上がりと立ち下がりとが対称な波形で周期的な 変化を行い、前記変位検出装置は、前記受光器で受光した前記照明光の強度の時 間的な変化の特定周波数成分を、前記変位の信号として抽出してもよい。
[0009] また、この光電式エンコーダにおいて、前記変調装置は、立ち上がりと立ち下がりと が非対称な波形で前記周期的な変化を行い、前記変位検出装置は、前記受光器で 受光した前記照明光の強度の時間的な変化の位相を、前記変位の信号として抽出 してもよレ、。また、この光電式エンコーダにおいて、前記変位検出装置は、前記変位 の信号と共に、前記周期的な変化の振幅の信号を生成し、前記振幅の信号をモニタ し、それが一定になるように前記変調装置を制御する制御装置をさらに備えてもよい
[0010] また、この光電式エンコーダにおいて、前記変位検出装置は、前記変位の信号と 共に、前記照明光の光量の信号を生成し、前記光量の信号をモニタし、それが一定 になるように前記光源を制御する制御装置をさらに備えてもよい。
[0011] 本発明の第 2の態様に従う光電式エンコーダは、照明光を出射する光源と、所定方 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相対的に変位し 且つ該変位の基準となる基準部材と、前記スケール及び前記基準部材を経由した前 記照明光を受光する受光器と、前記スケールと前記基準部材とが相対的に変位する 間、前記照明光を前記変位方向に周期的に変調させる変調装置と、前記受光器で 受光した前記照明光に基づいて、前記スケールと前記基準部材との相対的な変位を 検出する変位検出装置とを有することを特徴とする。この光電式エンコーダにおいて 、前記変調装置は、前記基準部材と該基準部材に入射する照明光との相対的な位 置関係を周期的に変調させてもよい。また、この光電式エンコーダにおいて、前記変 調装置は、前記基準部材に対する前記照明光の入射角度を周期的に変調させても よい。
[0012] 本発明の第 1及び第 2の態様の光電式エンコーダにおいて、前記変調装置が、前 記インデックス格子またはインデックス格子に対する照明光を変動させるァクチユエ ータであってもよレ、。また、前記照明光源が点光源アレイであり、前記変調装置が点 光源アレイの点光源を駆動してもよい。この光電式エンコーダでは、前記インデックス 格子に照明光が照射されて移動格子上に、インデックス格子の格子像または投影像 が形成され得る。 発明の効果
[0013] 本発明によれば、格子に姿勢変動が生じたとしても可動体の変位を表す信号を正 確に生成することのできる光電式エンコーダが実現する。
図面の簡単な説明
[0014] [図 1]第 1実施形態のエンコーダの構成図である。
[図 2]変調度 2dとベッセル展開係 U (n= l, 2, · · · )との関係を示す図である。
n
[図 3] (a)〜（e)は、第 1実施形態の移動回折格子 15の変位 Xが各値にあるときの干 渉信号 Iの時間変化波形を示す図である。
[図 4]1次成分検出回路 22、 2次成分検出回路 23による抽出動作の概念を示す図で ある。
[図 5] (a)及び (b)は、第 2実施形態のエンコーダを説明する図である。
[図 6]第 3実施形態のエンコーダの構成図である。
[図 7] (a)〜（c)は、第 3実施形態の移動回折格子 15の変位 Xが各値にあるときの干 渉信号 Iの時間変化波形を示す図である。
[図 8]第 1実施形態又は第 3実施形態のエンコーダの変形例を説明する図である。
[図 9]第 4実施形態のエンコーダを説明する図である。
[図 10]第 5実施形態のエンコーダを説明する図である。
[図 11] (a)及び (b)は、第 5実施形態のエンコーダにおいて各種の変調波形を実現 する方法を説明する図である。
符号の説明
[0015] 11 光源、 11 ' 点光源アレイ、 12 コリメータレンズ、 13 インデックス回折格子、 13 ， インデックス格子、 14A， 14B ミラー、 15 移動回折格子、 15' 移動格子、 16 受光素子、 17 ァクチユエータ、 21 受光回路、 22 1次成分検出回路、 23 2次成 分検出回路、 24 3次成分検出回路、 25 4次成分検出回路、 26 クロック回路、 30 光源駆動回路、 31 0次成分検出回路、 32 光量制御回路、 40 鋸歯状波発生 回路
発明を実施するための最良の形態 [0016] [第 1実施形態]
以下、第 1実施形態を説明する。本実施形態は、回折光干渉方式の光電式リニア エンコーダの実施形態である。先ず、本エンコーダの構成を説明する。図 1は、本ェ ンコーダの構成図である。本エンコーダの光学系部分には、光源 11、コリメータレン ズ 12、基準部材としてのインデックス回折格子 13、ミラー 14A、 14B、スケールとして の移動回折格子 15、受光素子 16などが備えられる。インデックス回折格子 13は、光 源 11から射出した光を複数の光に分離する光分離素子と機能する。本エンコーダの 光学系部分には、インデックス回折格子 13を振動させるためのァクチユエータ 17が 備えられる。インデックス回折格子 13が振動する方向は、インデックス回折格子 13の 格子の形成面と平行であり格子線に垂直な方向である。
[0017] 光源 11は、例えば、波長 λ = 850nmのレーザ光を出射するレーザ光源である。ィ ンデッタス回折格子 13及び移動回折格子 15は、透過型の回折格子であり、例えば、 位相型の回折格子である。これらインデックス回折格子 13と移動回折格子 15の格子 ピッチ pは互いに同じであり、 50 μ ΐη以下、例えば、 8 μ ΐη程度に設定されている。変 調装置としてのァクチユエータ 17は、例えば、ピエゾ素子からなり、振動幅:数 / m、 周波数： 20〜 30kHz程度で振動可能である。
[0018] このうち、光源 11、コリメータレンズ 12、ミラー 14A、 14B、受光素子 16、ァクチユエ ータ 17は、互いの位置が固定されている。それに対し、移動回折格子 15は、不図示 の可動体 (測定対象物）と共に変位する。その変位する方向は、移動回折格子 15の 格子の形成面と平行であり格子線に垂直な方向である。なお、図 1中には、この移動 回折格子 15の移動方向を X方向とし、移動回折格子 15の格子線方向を Y方向とし、 移動回折格子 15の法線方向を Z方向とした右手系の XYZ直交座標系を示した。以 下、必要に応じてこの直交座標系を用いて説明する。
[0019] また、本エンコーダには、その他に、回路部分として、受光回路 21、 1次成分検出 回路 22、 2次成分検出回路 23、 3次成分検出回路 24、 4次成分検出回路 25、クロッ ク回路 26、エンコーダ信号処理回路 27、変調度制御回路 28、ァクチユエータ駆動 回路 29、光源駆動回路 30、 0次成分検出回路 31、光量制御回路 32などが備えられ る。 [0020] 次に、本エンコーダの光学系部分の動作を説明する。光源 11は、照明光を 出射する。その照明光は、コリメータレンズ 12で平行光となり、インデックス回折格子 13に入射し、インデックス回折格子 13の回折作用により各次数の回折光を生起させ る。インデックス回折格子 13は、入射した光に基づいて ± 1次回折光を発生する。な お、インデックス回折格子 13は、 ± 1次回折光以外の光、例えば 0次光や ± 2次以上 の回折光を発生しない、あるいは ± 1次回折光の強度に比べて極めて弱レ、 0次光や 土 2次以上の回折光を発生する位相型の回折格子で形成される。インデックス回折 格子 13で生じた ± 1次回折光は、ミラー 14A、 14Bで個別に偏向された後、移動回 折格子 15の同じ領域に重ね合わせられ、この領域にインデックス回折格子 13の格 子像を形成する。すなわち、 ± 1次回折光は、移動回折格子 15の同じ位置に入射し 、この位置に入射した ± 1次回折光は、さらに移動回折格子 15の回折作用によって 再び回折され、互いに干渉した状態で受光素子 16に入射する。受光素子 16は、移 動回折格子 15を経由した干渉光の干渉強度を示す信号 (以下、「干渉信号 I」と称す 。）を出力する。
[0021] 以上の本エンコーダにおいては、インデックス回折格子 13に対して、移動回折格 子 15が変位する間、ァクチユエータ 17が駆動される。ァクチユエータ 17が駆動され ると、インデックス回折格子 13の位置力 方向に周期的に変調され、 ± 1次回折光の 位相差が周期的に変調される。この位相差が周期的に変調されると、移動回折格子 15上の格子像の位相が周期的に変調される（これによつて格子像の明暗パターンが X方向に周期的に変調される。）。したがって、干渉信号 Iが時間的に変化する。以下 、詳しく説明する。
[0022] 先ず、ァクチユエータ 17が駆動されていないときを考える。このとき、インデックス回 折格子 13を基準とした移動回折格子 15の X方向の変位を Xとおくと、受光素子 16に 入射する + 1次回折光の複素振幅 I、一 1次回折光の複素振幅 Iは、次式（1)， (2) のとおり表される。なお、ここでは、各回折光の照明光の光量 (振幅）を 1に規格化し て表す。また、「j」は、単位複素数である。
[0023] I =exp[2j x/p] · · · (1)
I = Θχρ [ - ¾ π χ/ρ] · ' · (2) よって、干渉信号 Iは、次式（3)のとおり移動回折格子 15の変位 Xの関数で表される
1 =(1/2)- I exp [ 2j π χ/ρ] + exp [ - 2j π x/p] · · ·（3)
次に、ァクチユエータ 17が駆動されているときを考える。このとき、インデックス回折 格子 13は、所定位置を基準として X方向に振動する (周期的に変調する)。この変調 中のインデックス回折格子 13の位置の時間的に変化する波形 (以下、「変調波形」と いう。）は、角周波数 ω、振幅 ε (片振幅は ε Ζ2)の正弦波（sin ω t)である。以下、 格子ピッチ pを基準とした振幅 εの広さを示す指標として、変調度 2ο! = 2π ε Ζρを 定義する。このような周期的な変調によると、 +1次回折光の位相と一 1次回折光の 位相とは、互いに反対方向に変調される。つまり、 +1次回折光と一 1次回折光との 位相差が変調される。
[0024] よって、本エンコーダでは、 + 1次回折光の複素振幅 I、一 1次回折光の複素振幅 I は、次式 (4), (5)のとおり表される。
I =exp[2j πχ/ ρ j π ε / p'siru ot)] · · · (4)
I = exp [ 2j π xZ p+j π ε Zp · sin ( ω t) ] … (5)
式 (4), (5)は、変調度 2(1 = 2π ε /ρによって式（6), (7)のとおり表される。
[0025] I =exp[2j x/p—jd'sin(cot)] · · · (6)
I = exp [ 2j π x/p +jd' sin (cot」 · · · (7)
よって、干渉信号 Iは、次式 (8)のとおり移動回折格子 15の変位 xと時間 tとの関数 で表される。
1 =(1/2)- I exp[2j πχΖρ— jd'sin( ot)]
+ exp[— 2j πχ/ p+jd'sin ω t) ] |
= 1 + cos [4 π x/ p— 2d-sin( ot)]
= 1 + cos (4 π x/ p) -cosliSd-sin cotJJ
+ sin (4 π x/p) 'sin[2d'sin ( ω t) ] … (8)
式（8)を時間 tに関して整理 (ベッセル級数展開）すると、次式（9)のとおりになる。
[0026] 1=1 +J (2d) · cos (4 π x/p)
o
+ 2J (2d) · sin (4 π x/p) · sin ( ω t) + 2J (2d) · cos (4 π x/p) · cos (2 ω t)
2
+ 2J (2d) · sin (4 π x/p) · sin (3 ω t)
3
+ 2J (2d) · cos (4 π x/p) · cos (4 ω t)
4
+ (9)
但し、 Jは、 n次のベッセル展開係数であり、変調度 2dが一定である限り一定値をと n
る。因みに、変調度 2dとベッセル展開係 U (n= l， 2, · · · )との関係は、図 2に示す n
とおりである。
[0027] 式（9)より、干渉信号 Iの時間変化の 0次成分 I、 1次成分 I、 2次成分 I、 3次成分 I
0 1 2 3
、 4次成分 I、 · · ·《、それぞれ次式（10)のとおり表される。なお、 0次成分 Iは、時間
4 0 的に変化しない周波数成分の強度であり、 n次成分 Iは、角周波数 η ωで時間的に η
変化する周波数成分の強度である。
I = 1 +J (2d) · cos (4 π x/p) ,
0 0
I = 2J (2d) · sin (4 π x/p) ,
1 1
I = 2J (2d) · cos (4 π x/p) ,
2 2
I = 2J (2d) · sin (4 π x/p) ,
3 3
I = 2J (2d) · cos (4 π x/p) , (10)
4 4
したがって、本エンコーダでは、干渉信号 Iの時間的な変化の特定周波数成分 (例 えば、 1次成分 I )と、別の特定周波数成分 (例えば、 2次成分 I )とを、 90° ずれた位
1 2
相で変位 Xを表すサイン信号とコサイン信号として用いることができる。つまり、本ェン コーダでは、受光素子 16を 1つしか備えていないにも拘わらず、受光素子 16からの 干渉信号 Iを時間的に変化させるので、その時間的な変化からサイン信号とコサイン 信号との双方を得ることが可能になる。
[0028] 因みに、従来は、サイン信号とコサイン信号とを得るために別の受光素子を使用し ていたので、移動回折格子 15が傾くと、サイン信号とコサイン信号との位相関係にず れ (測定誤差の要因）が生じていた。それに対し、本実施形態のエンコーダでは、サ イン信号とコサイン信号とを得るために同じ受光素子 16を使用しているので、移動回 折格子 15が傾いても、サイン信号とコサイン信号との位相関係にずれ (測定誤差の 要因）が生じないとレ、う効果を奏する。 [0029] なお、本エンコーダにおいて、移動回折格子 15の変位 Xが各値にあるときの干渉 信号 Iの時間的に変化する波形は、図 3に示すとおりである。図 3 (a) , (b) , (c)， (d) , (e)の点線枠内には、移動回折格子 15の変位 x (変位 xの角度表現）が— 81° ，― 36° , 0° , 36° ， 81° であるときの干渉信号 Iの時間的に変化する波形をそれぞ れ示した。図 3 (a) , (b) , (c)， （d)， （e)のそれぞれの図の左上の図は、移動回折格 子 15の変位を示し、下の図は変調波形、つまりインデックス回折格子 13に加える変 調の波形を示し、右上の点線で囲まれた図は、その場合の干渉信号 Iの波形である。
[0030] 図 3に明らかなように、本エンコーダにおいては、変位 Xが異なると、干渉信号 Iの時 間的に変化する波形に含まれる各周波数成分の強度バランスが異なる。特に、変位 Xが 0° であるときには、 2次成分（cos (2 co t) )の強度が高くなる。また、変位 Xがブラ ス方向に大きいほど、 1次成分 (sin ( co t) )の強度が高くなり、変位 Xがマイナス方向 に大きいほど、 1次成分（一 sin ( co t) )の強度が高くなる。
[0031] 因みに、変位 Xがー 81° であるときの干渉信号 Iの時間的に変化する波形（図 3 (a) の右上）は、無変調中の干渉信号 Iの変位 Xによる波形（図 3 (a)の左上）に対し、変調 波形（図 3 (a)の左下）を、 x=— 81° の位置で重ね合わせてできる波形に相当する 。また、変位 Xがー 36° であるときの干渉信号 Iの時間的に変化する波形（図 3 (b)の 右上）は、無変調中の干渉信号 Iの変位 Xによる波形（図 3 (b)の左上）に対し、変調 波形（図 3 (b)の左下）を、 x=— 36° の位置で重ね合わせてできる波形に相当する
[0032] また、変位 Xが 0° であるときの干渉信号 Iの時間的に変化する波形（図 3 (c)の右上 )は、無変調中の干渉信号 Iの変位 Xによる波形（図 3 (c)の左上）に対し、変調波形（ 図 3 (c)の左下）を、 x= 0° の位置で重ね合わせてできる波形に相当する。また、変 位 Xが + 36° であるときの干渉信号 Iの時間的に変化する波形（図 3 (d)の右上）は、 無変調中の干渉信号 Iの変位 Xによる波形（図 3 (d)の左上）に対し、変調波形（図 3 ( d)の左下）を、 x= + 36° の位置で重ね合わせてできる波形に相当する。
[0033] また、変位 Xが + 81° であるときの干渉信号 Iの時間的に変化する波形（図 3 ( の 右上）は、無変調中の干渉信号 Iの変位 Xによる波形（図 3 (e)の左上）に対し、変調 波形（図 3 (e)の左下）を、 x= + 81° の位置で重ね合わせてできる波形に相当する [0034] 次に、本エンコーダの回路部分の動作を説明する。光量制御回路 32は、光源駆動 回路 30を介して光源 11を駆動制御する。この制御では、照明光の光量を一定に保 つ制御が行われる。
[0035] 変調度制御回路（制御装置） 28は、クロック回路 26から与えられる角周波数 ωの正 弦波信号 (sin c t)に応じて、ァクチユエータ駆動回路 29に対し正弦波からなる変調 信号を与え、ァクチユエータ 17を駆動制御する。これによつて、インデックス回折格子 13の X方向の位置が周期的に変調される。また、この制御では、周期的変調の変調 度 2dを一定値に保つ制御も行われる。その変調度 2dの目標値は、「2. 3」に設定さ れる。このとき、ベッセル展開係数「J」は、図 2中に矢印で示すように 0となる。
0
[0036] 受光回路 21は、受光素子 16を連続的に駆動すると共に、受光素子 16から出力さ れる干渉信号 Iを連続的に取り込み、 0次成分検出回路 31、 1次成分検出回路 22、 2 次成分検出回路 23、 3次成分検出回路 24、 4次成分検出回路 25にそれぞれ与える 。それらの検出回路の少なくとも二つは、移動回折格子 15の変位検出装置として機 能する。 0次成分検出回路 31は、与えられた干渉信号 Iの時間的な変化から、その 0 次成分 Iを抽出する。 1次成分検出回路 22は、干渉信号 Iの時間的な変化から、その
0
1次成分 Iを抽出する。 2次成分検出回路 23は、干渉信号 Iの時間的な変化から、そ
1
の 2次成分 Iを抽出する。 3次成分検出回路 24は、干渉信号 Iの時間的な変化から、
2
その 3次成分 Iを抽出する。 4次成分検出回路 25は、干渉信号 Iの時間的な変化から
3
、その 4次成分 Iを抽出する。
4
[0037] このうち、 1次成分検出回路 22、 2次成分検出回路 23、 3次成分検出回路 24、 4次 成分検出回路 25による抽出動作は、クロック回路 26から与えられるパルス信号に同 期した同期検波からなる。図 4には、これらの回路を代表して、 1次成分検出回路 22 、 2次成分検出回路 23による抽出動作の概念を示した。図 4に示すように、 1次成分 検出回路 22には、クロック回路 26から角周波数 ωのパルス信号（図 4中「sin co と 示した。）が入力される。 1次成分検出回路 22は、このパルス信号と、受光回路 21か らの干渉信号 Iとを合成し、それをローパスフィルタ（LPF)で平滑化して、 1次成分 I
1 を抽出する。 [0038] 一方、 2次成分検出回路 23には、クロック回路 26から角周波数 2 ω、前記パルス信 号とは位相の 90° ずれたパルス信号（図 4中「cos2 co t」と示した。）が入力される。 2 次成分検出回路 23は、このパルス信号と、受光回路 21からの干渉信号 Iとを合成し 、それをローパスフィルタ（LPF)で平滑化して、 2次成分 Iを抽出する。そして、図 1
2
のエンコーダ出力処理回路 27は、抽出された 1次成分 I、 2次成分 Iを取り込み、そ
1 2
れらの成分 I， Iと、ベッセル展開係 定数）と、式（10)とに基づき、 8Ϊη (4 π χ
1 2 U , J (
1 2
/ρ)の値を示すサイン信号 Ssと、 cos (4 π χ/ρ)の値を示すコサイン信号 Scとを生 成する。これらのサイン信号 Ss、コサイン信号 Scは、同一の受光素子 16からの干渉 信号 Iによって生成されたもの（移動回折格子 15の同一領域を通過した照明光によ つて生成されたもの）なので、移動回折格子 15の姿勢が仮に変動しても、両者の位 相関係は変動しない。
[0039] また、変調度制御回路 28は、抽出された 1次成分 I、 2次成分 I、 3次成分 I、 4次
1 2 3 成分 Iを取り込み、それらの成分 I , I , I , Iと、式（10)とに基づき、本エンコーダで
4 1 2 3 4
実際に行われている周期的変調の変調度 2d (つまり変調度 2dの実測値)をモニタす る（因みに、この変調度 2dは、「1 /1」， 「1 /1」によって表される。）。さらに、変調度
1 3 2 4
制御回路 28は、モニタした変調度 2dが前述した目標値「2. 3」に近づく方向にァク チユエータ駆動回路 29を制御する。これによつて、変調度 2dが一定値（2. 3)に保た れる（フィードバック制御される。）。
[0040] また、光量制御回路 32は、抽出された 0次成分 Iを取り込み、その 0次成分 Iの変
0 0 動が抑えられる方向に光源駆動回路 30を制御する。これによつて、照明光の光量が 一定値に保たれる（フィードバック制御される。）。このように簡単に光量を制御できる のは、変調度 2dの目標値を「2. 3」としたからである。変調度 2dが「2. 3」であるとき には、ベッセル展開係 #J =0となり、 0次成分 Iが光量 (振幅）それ自体を示す。この
0 0
ようなフィードバック制御によると、周期的に変調される間、光学系部分の測定条件が 一定に保たれるので、本エンコーダで必要とされる信号 (つまり干渉信号 Iの時間的 な変化）を高精度に検出することができる。したがって、本エンコーダで生成される上 述したサイン信号 Ss、コサイン信号 Scは、移動回折格子 15の変位 Xを正確に表すこ とになる。 [0041] 本実施形態では、インデックス回折格子 13で生じた ± 1次回折光をミラー 14A、 14 Bで個別に偏向していた力 S、ミラー 14A、 14Bの代わりに、インデックス回折格子 13 の格子ピッチに対して、例えば、 1/2ピッチの格子ピッチを有するインデックス回折格 子を用いてもよい。
[0042] [第 2実施形態]
以下、第 2実施形態を説明する。本実施形態は、影絵方式 (スリットシャッター型）の 光電式エンコーダの実施形態である。ここでは、第 1実施形態（図 1)との相違点のみ 説明する。相違点は、光学系部分にある。図 5 (a)は、本エンコーダの光学系部分の 構成図である。図 5 (a)に示すとおり、本エンコーダの光学系部分には、光源 11、コリ メータレンズ 12、インデックス格子 13'、移動格子 15 '、受光素子 16、及びインデック ス格子 13'を振動させるためのァクチユエータ 17などが備えられる。インデックス格子 13'の X方向の位置は、第 1実施形態と同じ変調波形で周期的に変調される。
[0043] 但し、本エンコーダの原理は、光の干渉作用を利用しないので、移動格子 15'上に 形成される像は、インデックス格子 13'の格子像ではなぐインデックス格子 13 'の単 なる投影像 (所謂「影」）でよい。よって、 1対の回折光を偏向するためのミラー 14A, 14Bは不要である。また、光源 11としては、可干渉性の低いもの（LEDなど）を用い ること力 Sできる。また、インデックス格子 13'及び移動格子 15'としては、格子ピッチの 十分に大きな明暗格子 (遮光部と透過部とからなる格子）が用レ、られる。
[0044] 次に、本エンコーダの動作を説明する。光源 11から射出した照明光はコリメ一タレ ンズ 12で平行光となり、インデックス格子 13 'に入射し、その格子の明部を透過する 。インデックス格子 13'を透過した照明光は、移動格子 15 'に入射し、インデックス格 子 13 'の投影像を形成する。これらのインデックス格子 13 'と移動格子 15 'との双方 を透過した照明光は、受光素子 16に入射する。受光素子 16は、この照明光の入射 強度を示す信号 (以下、「強度信号 f」と称す。）を出力する。
[0045] 以上の本エンコーダにおいては、ァクチユエータ 17が駆動されると、インデックス格 子 13'の位置力 方向に周期的に変調され、移動格子 15 '上の投影像の位置が周 期的に変調される（これによつて移動格子 15'上の投影像の明暗パターンが周期的 に変調される。）。したがって、受光素子 16からの強度信号 fが時間的に変化する。 本エンコーダでは、この強度信号 第 1実施形態の干渉信号 Iと同様に、不図示 の回路部分で処理され、その 0次成分 f , 1次成分 f , 2次成分 f , ···などが抽出さ
0 1 2
れる。
[0046] ここで、本エンコーダにおいて、インデックス格子 13'を基準とした移動格子 15'の X方向の変位を Xとおき、無変調中の強度信号 fの変位 Xによって変化する波形を f(x )とおくと、周期的な変調中の強度信号 fの時間的な変化は、次式（11)のとおりテイラ 一展開される。なお、本エンコーダの変調波形を、 dsin(cot)とした。
f [x, dsin(cot)」
=f (x) +f (x) -d'sii cot) + f" (x)/2-d2-sin (Wt) H
=f (x) +f (x) -d'sin t) + f" (x) .d2Z4' [l_cos(2cot)] + (11) 式（11)より、強度信号 fの時間的な変化の 1次成分 f の強度は、 f'(x)に比例し、 2次
1
成分 f の強度は、 f" (χ)に比例することがわかる。
2
[0047] 仮に、無変調中の強度信号 fの変位 Xによって変化する波形「f(x)」が三角関数で 表されるとき（例えば、 f (X) =cos (x)と表されるとさ)には、 f， (X) =sin(x) , f" (x) = cos (x)となるので、本エンコーダの強度信号 fの時間的な変化は、第 1実施形態 の干渉信号 Iの時間的な変化と同様の波形を描くことになる。そこで、本エンコーダで は、例えば、無変調中の強度信号 fの変位 Xによって変化する波形「f (x)」が、疑似サ イン信号として f (X) = sin (X) 1/18 · sin(3x)となるように、光学系部分が設計され る。
[0048] このとき、本エンコーダで抽出される 1次成分 f は、図 5 (b)に示すとおりとなる。なお
1
、図 5(b)には、 1次成分 f の変位 Xによって変化する波形と共に、無変調中の強度信
1
号 fの変位 Xによって変化する波形を同一座標で表した。したがって、本エンコーダに おいても、第 1実施形態と同様に、互いに異なる位相で変位 Xを正確に表すサイン信 号 Ssとコサイン信号 Scとを生成することができる。
[0049] なお、本実施形態では、インデックス格子 13'を透過した光が移動格子 15'に入射 したが、インデックス格子 13'を移動格子 15'の後に配置して、インデックス格子 13' の位置をァクチユエータ 17で変調しても構わない。
[0050] [第 3実施形態] 以下、第 3実施形態を説明する。本実施形態は、回折干渉方式の光電式リニアェ ンコーダの実施形態である。ここでは、第 1実施形態（図 1)との相違点のみ説明する
。相違点は、回路部分にある。
[0051] 図 6は、本エンコーダの構成図である。本エンコーダの回路部分においては、クロッ ク回路 26、 1次成分検出回路 22、 2次成分検出回路 23、 3次成分検出回路 24、 4次 成分検出回路 25が省略され、その代わりに鋸歯状波発生回路 40が備えられる。変 調度制御回路 (制御装置） 28は、鋸歯状波発生回路 40から与えられる信号に応じた 変調信号をァクチユエータ駆動回路 29に与え、ァクチユエータ 17を駆動制御する。 これによつて、インデックス回折格子 13の X方向の位置は、鋸歯状の変調波形で周 期的に変調される。この周期的変調の変調度 2dは、 2 πに設定される。
[0052] このような本エンコーダにおいて、移動回折格子 15の変位 Xが各値にあるときの干 渉信号 Iの時間的な変化の波形は、図 7に示すとおりである。図 7 (a)， （b)， （c)の点 線枠内には、移動回折格子 15の変位 x (変位 Xの角度表現）がー 81° , —36° , 0 ° であるときの干渉信号 Iの時間的な変化の波形をそれぞれ示した。なお、図 7の表 記方法は、図 3のそれと同じである。
[0053] 図 7に明らかなように、本エンコーダにおいては、変位 Xが如何なる値であっても、 干渉信号 Iの時間的な変化の波形は同じになり、変位 Xが異なると、その位相のみが 異なる。そして、図 6の受光回路 21は、受光素子 16を連続的に駆動すると共に、受 光素子 16から出力される干渉信号 Iを連続的に取り込み、エンコーダ信号処理回路 27、変調度制御回路 28、 0次成分検出回路 31にそれぞれ与える。
[0054] エンコーダ信号処理回路 27は、与えられた干渉信号 Iの時間的な変化から、その 波形の位相を抽出する。この位相は、移動回折格子 15の変位 Xそれ自体を表す。変 調度制御回路 28は、与えられた干渉信号 Iの時間的な変化から、その波形の変極点 の有無をモニタする。そして、その変極点が低減されるようにァクチユエータ駆動回 路 29を制御する。これによつて、変調度 2dが一定値（2 π )に保たれる（フィードバッ ク制御される。）。
[0055] 0次成分検出回路 31は、与えられた干渉信号 Iの時間的な変化から、その 0次成分 Iを抽出する。光量制御回路 32は、この 0次成分 Iを取り込み、その 0次成分 Iの変 動が抑えられる方向に光源駆動回路 30を制御する。これによつて照明光の光量が 一定値に保たれる（フィードバック制御される。）。以上のとおり、本エンコーダによれ ば、比較的シンプルな回路構成でありながら、第 1実施形態と同様の効果を得ること ができる。
[0056] なお、本実施形態は、第 1実施形態の回路部分を変更したものであるが、同様に第 2実施形態の回路部分を変更してもよい。また、本実施形態では、変調度 2dを 2 πに 設定したが、 2 πの整数倍に設定しても、同様の効果を得ることができる。
[0057] [その他の実施形態]
また、上述した第 1実施形態又は第 3実施形態（回折光干渉方式のエンコーダ)で は、 ± 1次回折光の位相差を周期的に変調するため（格子像の位相を周期的に変調 するため）に、ァクチユエータ 17でインデックス回折格子 13の位置を周期的に変調し た力 図 8に示すように、ァクチユエータ 17を省略し、かつ ± 1次回折光の光路の一 方に電気光学素子 (ΕΟΜ)等を挿入して土 1次回折光の一方の光路長を周期的に 変調してもよい。この場合、電気光学素子がインデックス格子から射出する光を周期 的に変化させる変調装置に相当する。この場合も、 ± 1次回折光の位相差が周期的 に変調されるので、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。
[0058] また、第 1実施形態又は第 3実施形態においては、 + 1次回折光と 1次回折光と の位相差を周期的に変調するため (格子像の位相を周期的に変調するため）に、他 の方法または変調装置が採用されてもよい。例えば、 + 1次回折光の光路長と 1次 回折光の光路差とに予め差を設けておき、光源 11の波長を周期的に変調する方法 などである。因みに、 2つの光路の光路長に差を設ける方法は様々ある力 例えば、 一方の光路にのみ平行平板を揷入する方法などがある。
[0059] また、第 1実施形態、第 2実施形態の 1次成分検出回路 22、 2次成分検出回路 23 、 3次成分検出回路 24、 4次成分検出回路 25による抽出動作には、同期検波法が 適用されたが、他の方法、例えば、 AC測定のような振幅計測方法、特定位相または 特定時間における振幅計測手法などが適用されてもよい。また、上述した各実施形 態では、インデックス回折格子 13 (又はインデックス格子 13' )の位置の変調方向を X 方向に一致させた（つまり、移動回折格子 15又は移動格子 15'の移動方向に一致さ せた）が、少なくとも X方向の成分を有している方向であれば、他の方向であってもよ レ、。また、インデックス回折格子 13 (又はインデックス格子 13' )を直線的に振動させ る代わりに、所定軸の周りに周期的に揺動させる（例えば、 Y軸と平行な軸の周りに 周期的に回動させる）ことによつても、同様の効果が得られる。
[0060] また、第 1実施形態又は第 2実施形態のエンコーダでは、変調波形が正弦波に設 定されたが、立ち上がりと立ち下がりとが対称な別の波形に設定されてもよい。例え ば、三角波などに設定されてもよい。また、第 3実施形態のエンコーダでは、変調波 形が鋸歯状に設定されたが、立ち上がりと立ち下がりとが非対称な別の波形に設定 されてもよい。
[0061] また、上述した何れかの実施形態のエンコーダには、変位の検出精度を向上させ るための工夫が施されてもよい。例えば、周期的な変調の中心位置 (オフセット）を検 出する光学系（補正用の固定されたインデックス格子）を追加し、その光学系の出力 信号を変調度制御回路 28に与え、オフセットを一定に保つような制御を変調度制御 回路 28に行わせてもよい。
[0062] また、上述した何れかの実施形態のリニアエンコーダを応用して、ロータリーェンコ ーダを構成してもよい。
[0063] 「第 4実施形態]
以下、第 4実施形態を説明する。本実施形態は、回折光干渉方式の光電式リニア エンコーダの実施形態である。ここでは、第 1実施形態（図 1)との相違点のみ説明す る。相違点は、光学系部分にある。
[0064] 図 9は、本エンコーダの光学系部分の構成図である。図 9に示すように、本ェンコ一 ダの変調装置としてのァクチユエータ 17は、インデックス回折格子 13の代わりに光源 11を振動させる。この振動によって光源 11の位置は、第 1実施形態のインデックス回 折格子 13と同様に、所定位置を基準として X方向（=移動回折格子 15の移動方向） に周期的に変調される。このとき、コリメータレンズ 12からインデックス回折格子 13へ と入射する照明光の入射角度は、図 9中に矢印で示す方向に周期的に変調される。 その変調方向は、 Y軸（=格子線方向）と平行な軸の周りである。
[0065] この方向に入射角度が変調されると、移動回折格子 15上の格子像の位相は、第 1 実施形態と略同様に変調され、受光素子 16からの干渉信号 Iも、第 1実施形態と略 同様に時間変化する。したがって、本エンコーダにおいても、第 1実施形態と略同様 の効果を得ることができる。
[0066] なお、本実施形態は、第 1実施形態（回折光干渉方式)の光学系部分を変更したも のであるが、原理の異なる他の実施形態 (影絵方式)や、回路部分の異なる他の実 施形態の光学系部分を、同様に変更してもよい。
[0067] 因みに、影絵方式のエンコーダ（図 5)においては、移動格子 15 '上に形成される 像が、インデックス格子 13 'の格子像ではなく単なる投影像 (影）であるが、本実施形 態と同様に照明光の入射角度を変調すると、その投影像の位置が変調されるので、 受光素子 16からの強度信号 fを第 2実施形態と同様に時間的に変化させることがで きる。また、本実施形態では、光源 11の位置の変調方向を、 X方向（=移動回折格 子 15の移動方向）に一致させた力 少なくとも X方向の成分を有している方向であれ ば、必ずしも X方向に一致していなくてよい。
[0068] また、本実施形態では、光源 11の位置を変調したが、図 9の右上枠内に示すように 、コリメータレンズ 12とインデックス回折格子 13との間に折り曲げミラー Mを配置し、 そのミラー Mをァクチユエータ 17で矢印の方向に揺動すれば、照明光の入射角度を 同様に変調することができる。なお、揺動の支点は、例えば、図中の点 Aである。また 、本実施形態では、光源 11の位置を変調したが、エンコーダから離れた位置に光源 11を配置すると共に、その光源 11からの射出光を光ファイバで導光し、その出射端 の位置を変調すれば、照明光の入射角度を同様に変調することができる。
なお、上記ミラー Mとして、例えば、水晶振動子の表面に反射膜をコーティングしたも のを用い、水晶振動子自身を振動させることによって、照明光を変調させてもよい。
[0069] [第 5実施形態]
以下、第 5実施形態を説明する。本実施形態は、回折光干歩方式の光電式リニア エンコーダの実施形態である。ここでは、第 1実施形態（図 1)との相違点のみ説明す る。相違点は、光学系部分にある。図 10は、本エンコーダの光学系部分の構成図で ある。図 10に示すように、本エンコーダにおいては、ァクチユエータ 17が省略される と共に、光源 11の代わりに点光源アレイ 11 'が備えられる。 [0070] 点光源アレイ 11 'は、複数の点光源を X方向（=移動回折格子 15の移動方向）に 配列してなる所謂「面発光レーザ」である。これら複数の点光源の見かけ上の配置ピ ツチ p' (インデックス回折格子 13側から見たときの配置ピッチ）は、格子ピッチ よりも 十分に小さく設定される。例えば、 p = 8 x mに対し、 p'≤¾ x mである。この点光源 アレイ 11 'は、不図示の光源駆動回路によって駆動される。光源駆動回路は、点光 源アレイ 11，の複数の点光源のうち点灯する光源（つまり点灯位置）を切り替える。そ の点灯位置の時間変化パターンに周期性を持たせれば、第 4実施形態において光 源 11の位置を周期的に変調したときと同様に、照明光の入射角度を周期的に変調 すること力 Sできる。それゆえ、この実施形態では、光源駆動回路はインデックス格子か ら射出する光を周期的に変化させる変調装置として機能する。
[0071] このような点灯位置の切り替えは、物体の位置を変調するよりも高速化可能なので 、本エンコーダでは、変調の変調周波数を、第 1実施形態のそれよりも高めることがで きる。例えば、 MHzオーダーにすることも可能である。したがって、本エンコーダにお いては、複数の点光源の見かけ上の配置ピッチ P'さえ十分に小さく設定されていれ ば、第 1実施形態と同じ効果と、信号生成までの時間短縮の効果とが得られる。
[0072] しかも、本エンコーダは、物体の位置を変調しないので、第 1実施形態のようなフィ ードバック制御をしなくとも、変調度 2dや、周期的な変調の中心位置 (オフセット)など を一定に保つことができる。したがって、本エンコーダでは、第 1実施形態と同じ効果 を得ながら回路部分を簡略化することができる。なお、本エンコーダにおいては、複 数の点光源の見かけ上の配置ピッチ P'を小さく設定するために、コリメータレンズ 12 に対する点光源アレイ 11 'の姿勢を傾斜させてもよい。
[0073] なお、本実施形態は、第 1実施形態（回折干渉方式)の光学系部分を変更したもの であるが、原理の異なる他の実施形態 (影絵方式)や、回路部分の異なる（つまり変 調波形の異なる）他の実施形態の光学系部分を、同様に変更してもよい。また、本ェ ンコーダにおいて各種の変調波形を実現する方法は、例えば以下のとおりである。
[0074] 仮に、点光源アレイ 11 'の点光源の個数が 7であり、それらの 7つの点光源の位置 を並び順に「1」, 「2」， 「3」， 「4」， 「5」， 「6」， 「7」と称する場合には、点灯位置の時 間的な変化パターンを、「 1」→「2」→「3」→「4」→「5」→「6」→「7」→「 1」→「2」→「3 」→「4」→「5」→「6」→「7」→「1」→「2」→「3」→「4」→「5」→「6」→「7」→「1」→· · · とすれば、鋸歯状の変調波形を実現することができる。
[0075] また、図 11 (a)に示すょぅな時間的な変化パターン（「4」→「3」→「2」→「1」→「2」 →「3」→「4」→「5」→「6」→「7」→「6」→「5」→「4」→· · · )を採用すれば、三角波状 の変調波形を実現することができる。また、図 11 (b)に示すような時間的な変化パタ ーンを採用すれば、正弦波状の変調波形を実現することができる。この時間的な変 化パターンにおいては、点灯位置によって点灯時間に差がつけられている。なお、 図 11 (a)， (b)において、横軸は時間、縦軸は点灯位置（点光源の番号)である。
[0076] 上記実施形態では、インデックス格子から射出する光を周期的に変化させる変調 装置は、ァクチユエータゃ E〇Mなどを用いたがそれらに限定されず、インデックス格 子力 射出する光を周期的に変化させることができる装置やデバイスであれば任意 のもの用いることができる。別の観点からすれば、前記インデックス格子とインデックス 格子に入射する照明光の相対的位置関係を周期的に変調させる変調装置であって もよレ、。前述のァクチユエータゃ EOMもそのような作用を有する力 それ以外に、例 えば、照明光源及びインデックス格子を変位または移動させずに照明光源からイン デッタス格子に向力う光の入射位置または方向のみを周期的に偏向させるミラーや プリズムなどの光学素子を用いてもよい。
[0077] さらに、インデックス格子自体がそこから射出する光を周期的に変化させる機能を 備えていてもよい。また、上記実施形態では、移動格子の変位を検出する変位検出 装置として、 1次及び 2次成分検出回路または 0次成分検出回路を用いたが、それら に限らず、移動格子の変位を検出することができる装置やデバイスであれば任意の ものを用いることができる。例えば、受光素子自体がそのような機能を備えていてもよ レ、。
[0078] 上記実施形態において、エンコーダの光学系部分に対して、移動回折格子 15が 変位する構成について説明したが、移動回折格子 15を固定（固定された移動回折 格子は、固定回折格子として扱えばよい）し、この固定回折格子に対して、ェンコ一 ダの光学系部分を不図示の可動体 (測定対象物）と共に変位させてもよい。
[0079] また、上記実施形態では、光分離素子として、回折格子を用いて説明したが、この 構成に限定されるものではない。例えば、光分離素子として、光源から射出されるコヒ 一レントな光を 2つに分割するビームスプリッタを用いてもよレ、。ビームスプリッタを用 いた場合にも、ビームスプリッタで分割された 2つの光の各々を移動回折格子 15上 の同じ領域で重ね合わせて干渉させればよい。また、上記実施形態では、スケール として、回折格子を用いて説明したが、透明なスケール基板上に、透光部と遮光部（ 例えば、クロムで形成された領域）とが交互に配列されたパターンを有するものを用 いてもよい。
[0080] また、上記実施形態では、インデックス回折格子 13と、移動回折格子 15とを、位相 格子としたが、振幅型の回折格子としてもよい。
[0081] さらに、上記実施形態では、移動回折格子 15として、透過型の回折格子を例に説 明したが、移動回折格子 15を反射型の回折格子としてもよい。この場合には、受光 素子 16を、インデックス回折格子 13側に配置すればよい。
[0082] 上記実施形態において、インデックス回折格子 13と移動回折格子 15との配置関係 は逆であってもよい。すなわち、光源 11から射出された照明光が入射する回折格子 を移動回折格子とし、その回折格子で生じた回折光を入射する回折格子をインデッ タス回折格子としてもよい。すなわち、光源 11、コリメータレンズ 12、移動回折格子 1 5、インデックス回折格子 13、受光素子 16の順に配歹 IJしてもよい。
[0083] また、インデックス回折格子 13と移動回折格子 15のピッチを必ずしも同一とする必 要はない。すなわち、インデックス回折格子 13と移動回折格子 15とのピッチを互い に異ならせてもよい。この場合は、インデックス回折光 13、移動回折格子 15で発生 する回折光の射出方向は、光の波長 λと、これらのピッチによって決定されるため、 インデックス回折格子 13と移動回折格子 15との間の光学系、受光素子 16などの互 レ、の配置関係を各回折格子のピッチによって適宜決定すればよい。
産業上の利用可能性
[0084] 本発明によれば、格子に姿勢変動が生じたとしても可動体の変位を表す信号を正 確に生成することのできる光電式エンコーダが実現する。それゆえ、この光電式ェン コーダは格子に姿勢変動が生じ易い種々の環境の下で特に有用となる。

Claims

請求の範囲
[1] 照明光を出射する光源と、
格子線を有し、前記格子線と交差する方向に変位可能な移動格子と、 前記移動格子の変位の基準となるインデックス格子と、
前記移動格子及び前記インデックス格子を経由した前記照明光を受光する受光器 と、
前記インデックス格子力 射出する光を周期的に変化させる変調装置と、 前記受光器で受光した前記照明光に基づいて、前記移動格子の変位を検出する 変位検出装置とを有する光電式エンコーダ。
[2] 前記変調装置は、前記インデックス格子と該インデックス格子に入射する前記照明 光との相対的な位置関係を周期的に変調することを特徴とする請求項 1に記載の光 電式エンコーダ。
[3] 前記変調装置は、前記インデックス格子の位置を周期的に変化させることを特徴と する請求項 1に記載の光電式エンコーダ。
[4] 前記変調装置は、前記光源から前記インデックス格子又は前記移動格子へ入射す る前記照明光の角度を、周期的に変化させることを特徴とする請求項 1に記載の光 電式エンコーダ。
[5] 前記光源は、互いに異なる角度の複数の前記照明光を出射することが可能であり
、前記変調装置は、前記複数の前記照明光を周期的に切り替えることを特徴とする 請求項 4に記載の光電式エンコーダ。
[6] 前記変調装置は、前記移動格子上の前記インデックス格子の格子像または投影像 の位置を周期的に変化させることを特徴とする請求項 1〜請求項 5の何れか一項に 記載の光電式エンコーダ。
[7] 前記移動格子及び前記インデックス格子は、回折格子であり、前記インデックス格 子で生じた 1対の回折光で前記移動格子上に前記インデックス格子の格子像を形成 する光学系が配置されていることを特徴とする請求項 1〜請求項 5の何れか一項に 記載の光電式エンコーダ。
[8] 前記光学系は、前記 1対の回折光を前記移動格子上の同じ領域で重ね合せるた めに、前記一対の回折光をそれぞれ偏向する反射部材を有することを特徴とする請 求項 7に記載の光電式エンコーダ。
[9] 前記変調装置は、
前記 1対の回折光の間の位相差を周期的に変化させることを特徴とする請求項 7ま たは請求項 8に記載の光電式エンコーダ。
[10] 前記変調装置は、立ち上がりと立ち下がりとが対称な波形で前記周期的な変化を 行い、
前記変位検出装置は、前記受光器で受光した前記照明光の強度の時間的な変化 の特定周波数成分を、前記変位の信号として抽出することを特徴とする請求項:!〜 請求項 5の何れか一項に記載の光電式エンコーダ。
[11] 前記変調装置は、立ち上がりと立ち下がりとが非対称な波形で前記周期的な変化 を行い、
前記変位検出装置は、前記受光器で受光した前記照明光の強度の時間的な変化 の位相を、前記変位の信号として抽出することを特徴とする請求項 1〜請求項 5の何 れか一項に記載の光電式エンコーダ。
[12] 前記変位検出装置は、前記変位の信号と共に、前記周期的な変化の振幅の信号 を生成し、前記振幅の信号をモニタし、それが一定になるように前記変調装置を制御 する制御装置をさらに備えたことを特徴とする請求項 1〜請求項 4の何れか一項に記 載の光電式エンコーダ。
[13] 前記変位検出装置は、前記変位の信号と共に、前記照明光の光量の信号を生成 し、前記光量の信号をモニタし、それが一定になるように前記光源を制御する制御装 置をさらに備えたことを特徴とする請求項 1〜請求項 5の何れか一項に記載の光電式 エンコーダ。
[14] 前記受光器は、単一の受光素子を有することを特徴とする請求項 1〜請求項 4の何 れか一項に記載の光電式エンコーダ。
[15] 前記変調装置が、前記インデックス格子及び前記光源の一方をァクチユエートする ァクチユエータを有することを特徴とする請求項 1に記載の光電式エンコーダ。
[16] 前記光源は、点光源アレイを有し、 前記変調装置は、前記点光源アレイを駆動することを特徴とする請求項 1に記載の 光電式エンコーダ。
[17] 照明光を出射する光源と、
所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相対的に変位し、該変位の基準となる基準部材と、 前記スケール及び前記基準部材を経由した前記照明光を受光する受光器と、 前記スケールと前記基準部材とが相対的に変位する間、前記照明光を前記変位 方向に周期的に変調させる変調装置と、
前記受光器で受光した前記照明光に基づいて、前記スケールと前記基準部材との 相対的な変位を検出する変位検出装置とを有する光電式エンコーダ。
[18] 前記変調装置は、前記基準部材と該基準部材に入射する照明光との相対的な位 置関係を周期的に変調させることを特徴とする請求項 17に記載の光電式エンコーダ
[19] 前記変調装置は、前記基準部材に対する前記照明光の入射角度を周期的に変調 することを特徴とする請求項 17に記載の光電式エンコーダ。
[20] 前記光源は、点光源アレイであり、前記変調装置は、前記点光源アレイを駆動する ことを特徴とする請求項 17に記載の光電式エンコーダ。
[21] 前記スケールは、前記所定方向に配列された複数の格子線を有する透過型の回 折格子で形成されることを特徴とする請求項 17〜請求項 20の何れか一項に記載の 光電式エンコーダ。
[22] 前記受光器は、単一の受光素子を有することを特徴とする請求項 17〜請求項 20 の何れか一項に記載の光電式エンコーダ。
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