JP7523866B2 - 光学式エンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、光学式エンコーダに関する。

従来、測定方向に沿って所定の周期で形成される格子状のパターンを一面に有する板状のスケールと、測定方向に沿ってスケールと相対移動可能に設けられる検出ヘッドと、を備える光学式エンコーダが知られている。検出ヘッドは、スケールに光を照射する光源と、スケールを介した光を受光する受光手段と、を備える。
このような光学式エンコーダでは、光源から照射された光は、スケールにおける格子状のパターンを介して複数の回折光となる。複数の回折光は、格子状のパターンと同じ周期の干渉縞を生成する。受光手段は、この干渉縞を受光し、検出ヘッドは、受光手段が受光した干渉縞から信号を検出する。光学式エンコーダは、検出ヘッドによる検出結果（信号）からスケールと検出ヘッドとの相対移動量を算出する。

光学式エンコーダでは、例えば３格子原理を応用したものがある。具体的には、光学式エンコーダは、スケールに光を照射する光源と、第１格子に相当する格子状のパターンを有するスケールと、第２格子を有する格子板と、複数の受光素子（第３格子）を有する受光手段と、を備える。スケールには、光源から光が照射される。格子板が有する第２格子は、所定の周期で形成される。格子板は、スケールと複数の受光素子の間に配置されスケールを介した光源からの光を複数の受光素子に向かって照射する。第３格子である複数の受光素子は、所定の周期で配置され、格子板を介した光によって生じた干渉縞をフィルタリングする。光学式エンコーダは、複数の受光素子にてフィルタリングされた干渉縞に基づいてスケールと検出ヘッドとの相対移動量を算出する。
ここで、前述のような３格子原理を用いた光学式エンコーダでは、以下のような問題が生じることがある。

図８は、従来の光学式エンコーダを示す図である。具体的には、図８（Ａ）は、第１格子と第２格子と第３格子とが等間隔で配置されている光学式エンコーダ１００Ａを示す図である。また、図８（Ｂ）は、第１格子と第２格子と第３格子とがそれぞれ異なる間隔で配置されている光学式エンコーダ１００Ｂを示す図である。

図８に示すように、光学式エンコーダ１００Ａ，１００Ｂは、第１格子にあたる格子状のパターンを有する板状のスケール２００Ａ，２００Ｂと、スケール２００Ａ，２００Ｂに光を照射する光源３００と、第２格子を有する格子板４００と、第３格子にあたる複数の検出素子を有する受光手段５００と、を備える。光源３００は、スケール２００Ａ，２００Ｂと格子板４００との間に配置される。格子板４００は、スケール２００Ａ，２００Ｂと受光手段５００との間に配置される。受光手段５００は、スケール２００Ａ，２００Ｂとは格子板４００を挟んで反対側に配置される。

光学式エンコーダ１００Ａ，１００Ｂにおいて、スケール２００Ａ，２００Ｂは、光源３００からの光を格子板４００に反射する。格子板４００は、スケール２００Ａ，２００Ｂを反射した光を受光手段５００に向かって通過させる。受光手段５００は、格子板４００を通過した光を受光する。なお、図８では、説明の都合上、光源３００から照射され受光手段５００に受光されるまでの光の光路を実線矢印で表す。また、測定方向をＸ方向とし、Ｘ方向とスケール２００Ａ，２００Ｂや格子板４００の板面上で直交する方向（スケール２００Ａ，２００Ｂや格子板４００の幅方向）をＹ方向とし、Ｘ方向とＹ方向と直交する方向をＺ方向として説明する。

図８（Ａ）に示すように、光学式エンコーダ１００Ａは、スケール２００Ａと格子板４００と受光手段５００とをＺ方向にそれぞれ距離Ｄ１の間隔を有して配置している。すなわち、光学式エンコーダ１００Ａは、スケール２００Ａと格子板４００と受光手段５００とをＺ方向に等間隔に配置している。一方、図８（Ｂ）に示すように、光学式エンコーダ１００Ｂは、スケール２００Ｂと格子板４００とについてＺ方向に距離Ｄ１および距離Ｄ２の間隔を有して配置している。また、光学式エンコーダ１００Ｂは、格子板４００と受光手段５００とについてＺ方向に距離Ｄ１の間隔を有して配置している。すなわち、光学式エンコーダ１００Ｂは、スケール２００Ｂと格子板４００との間隔と、格子板４００と受光手段５００との間隔とについて、距離Ｄ２だけ異なる間隔を有して配置している。

図８（Ａ）では、光源３００から照射された光は、スケール２００Ａで複数の光に分割されて反射し、格子板４００を通過して受光手段５００にて合成される。これに対し、図８（Ｂ）では、光源３００から照射された光は、スケール２００Ｂで複数に分割されて反射し、格子板４００を通過して受光手段５００にてＸ方向に距離Ｄ３だけ離間（オフセット）して照射される。分割された複数の光がオフセットされて受光手段５００に照射されると、その複数の光のオーバーラップ量は、オフセットされないときと比較して減少する。すなわち、光学式エンコーダ１００Ｂでは、分割された複数の光のオーバーラップ量は光学式エンコーダ１００Ａよりも減少する。光のオーバーラップ量が減少すると、干渉縞が生成されない場合や信号を取得できない場合がある。

したがって、スケールの格子状のパターンを第１格子とする従来の光学式エンコーダは、スケールや格子板、受光手段等の配置位置が変動しＺ方向における互いの離間距離に偏差が生じると、干渉縞などの信号の検出精度を維持することができないことがあるという問題がある。

これに対し、特許文献１に記載の光電子スケール読取り装置は、光源の設計について工夫することで、問題解決を図っている。具体的には、光源の大きさは、所定の大きさに制限されている。そして、光源は、分光器グレーティング（格子を有する格子板）に対して小角度の範囲を定めるように配置される。光源の大きさは、良好で容易に検出される干渉縞を生ずる領域や、分光器グレーティングの格子のピッチ、光源とスケールとの離間距離、スケールと分光器グレーティングとの離間距離などに基づいて設計される。
光電子スケール読取り装置は、光電子スケール読取り装置における各構成部材等が有するパラメータに基づいて光源を設計することで、信号の検出精度の維持を図っている。

特許第４７５０９９８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の光電子スケール読取り装置は、各構成部材等が有するパラメータに応じた光源を設計する必要がある。これにより、光源に制約が生じるという問題がある。

本発明の目的は、構成部材の互いの配置位置が変動し離間距離に偏差が生じたとしても、光源の設計における制約を考慮することなく、信号の検出精度を維持することができる光学式エンコーダを提供することである。

本発明の光学式エンコーダは、測定方向に沿って所定の周期で形成される格子状のパターンを一面に有する板状のスケールと、測定方向に沿ってスケールと相対移動可能に設けられる検出ヘッドと、を備える。検出ヘッドは、スケールに向かって光を照射する光源と、光源とスケールとの間に配置されるとともにスケールの板面と平行に配置され、一面に所定の周期で形成される格子を有する複数の格子板と、スケールにより反射され複数の格子板を介した光を受光する受光手段と、を備える。複数の格子板は、光源からの光が照射される第１格子板と、第１格子板とスケールとの間に配置され、第１格子板を介した光をスケールに向かって照射する第２格子板と、スケールと受光手段との間に配置され、スケールにより反射された光が照射される第３格子板と、第３格子板と受光手段との間に配置され、第３格子板を介した光を受光手段に向かって照射する第４格子板と、を備える。ここで、格子状のパターンの所定の周期をｇとし、格子の所定の周期を定める０から１の間の所定の定数をｎとする。このとき、第１格子板の格子は、ｇ÷ｎの周期で形成される。また、第２格子板の格子は、ｇ÷ｎ÷２の周期で形成される。また、第３格子板の格子は、ｇ÷│１－ｎ│÷２の周期で形成される。また、第４格子板の格子は、ｇ÷│１－ｎ│の周期で形成されることを特徴とする。

本発明によれば、光学式エンコーダは、第１格子板と第２格子板と第３格子板と第４格子とのそれぞれの格子の所定の周期をスケールの格子状のパターンの所定の周期に基づいて設計することで、構成部材の互いの配置位置が変動することにより生じる光の進行方向の変化を抑制することができる。光学式エンコーダは、光源を設計しなくとも、複数の格子板が備える格子の設計を工夫することで信号精度の維持を図ることができる。したがって、光学式エンコーダは、構成部材の互いの配置位置が変動し離間距離に偏差が生じたとしても、光源の設計における制約を考慮することなく、信号の検出精度を維持することができる。

本発明の光学式エンコーダは、測定方向に沿って所定の周期で形成される格子状のパターンを一面に有する板状のスケールと、測定方向に沿ってスケールと相対移動可能に設けられる検出ヘッドと、を備える。検出ヘッドは、スケールに向かって光を照射する光源と、光源とスケールとの間に配置されるとともにスケールの板面と平行に配置され、一面に所定の周期で形成される格子を有する複数の格子板と、スケールにより反射され複数の格子板を介した光を受光する複数の受光素子を有する受光手段と、を備える。複数の格子板は、光源からの光が照射される第１格子板と、第１格子板とスケールとの間に配置され、第１格子板を介した光をスケールに向かって照射する第２格子板と、スケールと受光手段との間に配置され、スケールにより反射された光が照射される第３格子板と、を備える。複数の受光素子は、スケールの板面と平行な受光手段の一面に所定の周期で形成される。ここで、格子状のパターンの所定の周期をｇとし、格子の所定の周期および複数の受光素子の所定の周期を定める０から１の間の所定の定数をｎとする。このとき、第１格子板の格子は、ｇ÷ｎの周期で形成される。また、第２格子板の格子は、ｇ÷ｎ÷２の周期で形成される。また、第３格子板の格子および複数の受光素子は、ｇ÷│１－ｎ│÷２の周期で形成されることを特徴とする。

本発明によれば、光学式エンコーダは、第１格子板と第２格子板と第３格子板とのそれぞれの格子の所定の周期と、複数の受光素子の所定の周期と、をスケールの格子状のパターンの所定の周期に基づいて設計することで、構成部材の互いの配置位置が変動することにより生じる光の進行方向の変化を抑制することができる。光学式エンコーダは、光源を設計しなくとも、複数の格子板が備える格子および複数の受光素子の設計を工夫することで信号精度の維持を図ることができる。したがって、光学式エンコーダは、構成部材の互いの配置位置が変動し離間距離に偏差が生じたとしても、光源の設計における制約を考慮することなく、信号の検出精度を維持することができる。

また、本発明の光学式エンコーダは、前述の光学式エンコーダが備えていた第４格子板を備えず、受光手段が有する複数の受光素子を第４格子板における格子の代わりとして採用している。したがって、光学式エンコーダは、前述の第４格子板を備えなくてよいため、コスト削減を図ることができる。

この際、所定の定数ｎは、０．５であることが好ましい。

このような構成によれば、所定の定数ｎは、０．５であることで、０．５以外の定数ｎとした場合と比較して、受光手段における分割された光のオーバーラップ量を安定させることができる。また、０．５以外の定数ｎとした場合と比較して、所定の周期を容易に算出することができるため、設計における効率化を図ることができる。

この際、第１格子板および第４格子板、または第１格子板および受光手段と、第２格子板および第３格子板とは、それぞれ同一平面上に配置されていることが好ましい。

ここで、第１格子板と第２格子板とスケールと第３格子板と、第４格子板または受光手段と、のそれぞれの構成部材の離間距離が異なる場合、受光手段に照射される光のオーバーラップ量が減少することがある。しかしながら、このような構成によれば、少なくとも第１格子板および第４格子板と、第２格子板および第３格子板と、の離間距離と、第２格子板および第３格子板と、スケールと、の離間距離を等しくすることができる。したがって、光学式エンコーダは、受光手段における光のオーバーラップ量の減少を抑制することができる。

この際、第１格子板と第２格子板とスケールと第３格子板と、第４格子板または受光手段と、のそれぞれの離間距離は、等間隔であることが好ましい。

ここで、従来の光学式エンコーダでは、例えばスケールの格子状のパターンを第１格子とし、第３格子板の格子を第２格子とし、第４格子板の格子または受光手段の受光素子を第３格子とし、それぞれの構成部材の離間距離が異なる場合、分割された光の受光手段におけるオーバーラップ量が減少することがあった。しかしながら、本発明の光学式エンコーダでは、前述のように複数の格子板の格子や複数の受光素子の所定の周期を設計することで、オーバーラップ量が減少することを抑制することができる。加えて、このような構成によれば、光学式エンコーダは、第１格子板と第２格子板とスケールと第３格子板と、第４格子板または受光手段と、のそれぞれの離間距離を等間隔とすることで、分割された光の受光手段におけるオーバーラップ量の減少をさらに抑制することができる。

この際、光源は、ＬＥＤであることが好ましい。

ここで、前述の通り、スケールの格子状のパターンを第１格子とする従来の光学式エンコーダは、構成部材の互いの配置位置が変動し離間距離に偏差が生じると、干渉縞等の信号の検出を維持することができないことがあるという問題がある。一方、この問題は、Ｈｅ－Ｎｅレーザ等の可干渉領域の広い光源を用いることで解決することができる。具体的には、例えば光源がＨｅ－Ｎｅレーザである場合、そのコヒーレント長（可干渉領域）は数ｍである。このため、例えば第１格子板にて分割された２本の光の受光手段までの光路長の差が大きく異なったとしても、干渉縞を生じさせることができる。すなわち、光源として例えばコヒーレント長が数ｃｍと非常に短い光源を用いた場合、分割された２本の光の分割点から受光手段に照射されるまでの光路長の差が数ｃｍ以上であると、干渉縞は生じない。しかし、Ｈｅ－Ｎｅレーザ等の可干渉領域の広い光源は高価であるため、コストがかかるという問題がある。また、そのような光源を用いた場合、光学式エンコーダが大型化することもある。

これに対し、本発明の光学式エンコーダにおいて、分割された２本の光の光路は、複数の格子板やスケールの板面に直交する直交方向を軸に略線対称となる。このため、２本の光の光路長は、略同じ長さとなる。したがって、光学式エンコーダは、光源のコヒーレント長である数ｃｍ以内に分割された各光の光路長の差を収め、光源のコヒーレント性の制限内で確実に干渉縞を生じさせることができる。よって、光学式エンコーダは、光源のコヒーレント性による制限を回避しつつ、高価なＨｅ－Ｎｅレーザの代わりに例えばＨｅ－Ｎｅレーザと比較して低廉でコヒーレント性の制限が大きいＬＥＤなどを光源として用いることができるため、コスト削減を図ることができる。

第１実施形態に係る光学式エンコーダを示す斜視図 前記光学式エンコーダにおける光の光路を示す原理図 前記光学式エンコーダにおける構成部材の配置関係を示す模式図 前記光学式エンコーダにおけるスケールが傾きを有する際の模式図 第２実施形態に係る光学式エンコーダを示す斜視図 前記光学式エンコーダにおける構成部材の配置関係を示す模式図 第３実施形態に係る光学式エンコーダを示す斜視図 従来の光学式エンコーダを示す図

〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態を図１から図４に基づいて説明する。
図１は、第１実施形態に係る光学式エンコーダ１を示す斜視図である。
光学式エンコーダ１は、図１に示すように、板状のスケール２と、測定方向であるＸ方向に沿ってスケール２と相対移動可能に設けられる検出ヘッド３と、を備えるリニアエンコーダである。検出ヘッド３は、スケール２に向かって光を照射する光源４と、光源４とスケール２との間に配置される複数の格子板５と、光を受光する受光手段６と、を備える。これらを備えた検出ヘッド３は、スケール２に対して測定方向であるＸ方向に一体で進退可能に設けられている。リニアエンコーダは、検出ヘッド３をスケール２に沿って移動させることで、スケール２と検出ヘッド３との相対移動量から位置情報を取得する。
なお、以下の説明および各図面において、スケール２の測定方向であり長手方向をＸ方向とし、スケール２の短手方向をＹ方向とし、Ｘ方向およびＹ方向と直交する高さ方向をＺ方向と記す。

スケール２は、ガラス等で形成されている。スケール２の一面には、測定方向であるＸ方向に沿って所定の周期ｇで格子状のパターン２０が形成されている。格子状のパターン２０は、複数の格子板５を介した光源４から照射された光を受光手段６に向かって反射する。このため、格子状のパターン２０は、光を反射する素材で形成されている。格子状のパターン２０にて反射した光は、複数の格子板５を介して受光手段６に照射される。
光源４は、スケール２の一面に向かって平行光を照射する。光源４は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）が用いられている。なお、以下の説明および各図面において、光源４から照射された光の光路は、矢印にて記載する。光源４にＬＥＤが用いられている理由は後述する。

受光手段６は、スケール２の板面であるＸＹ平面と平行に配置される。受光手段６は、スケール２により反射され複数の格子板５を介した光を受光する複数の受光素子６０を有する。具体的には、複数の受光素子６０は、受光手段６の一面に所定の周期Ｐで形成される。また、複数の受光素子６０は、複数の格子板５を挟んでスケール２の格子状のパターン２０と向かい合わせて設置されている。複数の受光素子６０は、スケール２および複数の格子板５を介した光を受光し、その光によって生成された干渉縞から信号を検出する。そして、複数の受光素子６０には、ＰＤＡ(Photo Diode Array)が用いられる。ＰＤＡは、複数の干渉縞を１度に測定することができる性質を持つ検出器である。なお、複数の受光素子６０は、ＰＤＡに限らず、ＰＳＤ（Position Sensitive Detector）やＣＣＤ（Charge-Coupled Device）等の任意の検出器を用いてもよい。

複数の格子板５は、第１格子板５１と、第２格子板５２と、第３格子板５３と、を備える。複数の格子板５は、スケール２の板面であるＸＹ平面と平行に配置される。
具体的には、第１格子板５１は、光源４とスケール２との間に配置され、光源４からの光が照射される。第２格子板５２は、第１格子板５１とスケール２との間に配置され、第１格子板５１を介した光をスケール２に向かって照射する。第３格子板５３は、スケール２と受光手段６との間に配置され、スケール２により反射された光が照射される。第３格子板５３は、スケール２により反射された光を受光手段６に向かって照射する。

また、複数の格子板５は、一面にそれぞれ所定の周期で形成される格子を有する。具体的には、第１格子板５１は所定の周期Ｐ１で形成される格子５１０を有する。また、第２格子板５２は所定の周期Ｐ２で形成される格子５２０を有する。また、第３格子板５３は所定の周期Ｐ３で形成される格子５３０を有する。複数の格子板５の格子５１０，５２０，５３０については後述する。

光学式エンコーダ１は、第１格子板５１および受光手段６を同一平面上に配置している。また、光学式エンコーダ１は、第２格子板５２および第３格子板５３を同一平面上に配置している。具体的には、第１格子板５１および受光手段６は、同一のＸＹ平面Ｓ１上に配置されている。第２格子板５２および第３格子板５３は、ＸＹ平面Ｓ１から距離ｄ分－Ｚ方向（紙面下方向）に離れたところに位置するＸＹ平面Ｓ２上に配置されている。また、第１格子板５１と第２格子板とスケール２と第３格子板と受光手段６とは、それぞれ等間隔となる離間距離ｄを有して配置されている。

図２は、光学式エンコーダ１における光の光路を示す原理図である。
以下、図２を用いて、光源４から照射された光の光路と、複数の格子板５の格子５１０，５２０，５３０および複数の受光素子６０の設計方法を説明する。なお、図２では、光の光路の説明の都合上、スケール２に照射された光は、図１とは異なりスケール２を透過させた状態で記載している。

ここで、スケール２および複数の格子板５を介した光は、複数の回折光に分割され回折される。複数の回折光は、光源から照射された光の光軸と同じ方向に進行する回折光と、光軸の両側を所定の回折角度で進行する回折光と、光軸の両側を所定の回折角度よりも大きな回折角度で進行する回折光と、を有する。
複数の回折光は、光軸と同じ方向に進行する回折光を０次回折光とすると、０次回折光を基準として回折角度が大きくなる方向に向かって±１次回折光、±２次回折光と順序づけることができる。

受光手段６は、主に±１次回折光により生成される干渉縞から信号を検出する。したがって、±１次回折光は信号回折光となり、±１回折光よりも次数が高い回折光はノイズ回折光となる。以下の説明および各図面では、干渉縞を生成する信号回折光を実線矢印で記載し、図２では、±１回折光の±の向きをかっこ書き内に記載している。
以下、複数の格子板５の格子５１０，５２０，５３０の設計方法および光源４から受光手段６までの信号回折光の光路について説明する。

先ず、スケール２の格子状のパターン２０の所定の周期をｇとする。次に、複数の格子板５の格子５１０，５２０，５３０の所定の周期Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３および複数の受光素子６０の所定の周期Ｐを定める０から１の間の数値である所定の定数をｎとする。このとき、第１格子板５１の格子５１０の周期Ｐ１は、「ｇ÷ｎ」で形成される。また、第２格子板５２の格子５２０の周期Ｐ２は、「ｇ÷ｎ÷２」で形成される。また、第３格子板５３の格子５３０の周期Ｐ３および複数の受光素子６０の周期Ｐは、「ｇ÷│１－ｎ│÷２」で形成される。

本実施形態では、前述の所定の定数ｎは、０．５である。所定の定数ｎを０．５とし例えば格子状のパターン２０の所定の周期ｇが「４μｍ」であった場合、第１格子板５１の格子５１０の周期Ｐ１は「８μｍ」となる。また、第２格子板５２の格子５２０の周期Ｐ２は「４μｍ」となる。また、第３格子板５３の格子５３０の周期Ｐ３および複数の受光素子６０の周期Ｐは「４μｍ」となる。説明のため単純な周期を用いたが、このようにスケール２の格子状のパターン２０の所定の周期ｇを基準に複数の格子板５の格子５１０，５２０，５３０の所定の周期Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３と複数の受光素子６０の周期Ｐを求めることで、容易にこれらを設計することができるとともに、信号の検出精度を維持することができる。なお、格子状のパターン２０の所定の周期ｇはどのような周期であってもよい。

続いて、光源４から受光手段６までの信号回折光の光路について説明する。
先ず、光源４からの光は第１格子板の格子５１０により複数の回折光となり回折される。信号回折光となる±１次回折光は、角度θ_０で第２格子板５２に照射される。このとき、光源４からの光の波長をλとしたとき、角度θ_０は、「ｓｉｎθ_０＝ｎ×λ÷ｇ」にて表すことができる。
次に、第２格子板５２に照射された±１次回折光は、格子５２０により回折されスケール２に照射される。第２格子板５２で回折された信号回折光となる±１次回折光は、第１格子板５で回折されたときとは±が反転してスケール２に照射される。このとき、±１次回折光は、角度θ_０でスケール２に入射し、スケール２上で交わる。

そして、±１次回折光は、スケール２により反射され、角度θ_１で第２格子板５３に照射される。このとき、角度θ_１は、「ｓｉｎθ_１＝λ÷ｇ－ｓｉｎθ_０＝λ÷ｇ×（１－ｎ）」にて表すことができる。
第３格子板５３に照射された±１次回折光は、格子５３０により回折され受光手段６に照射される。第３格子板５３で回折された信号回折光となる±１次回折光は、スケール２により反射されたときとは±が反転して受光手段６に照射される。このとき、±１次回折光は、角度θ_１で受光手段６に入射し、受光手段６上に干渉縞を生成する。受光手段６の複数の受光素子６０は、干渉縞からスケール２に対する検出ヘッド３の移動量に関する信号を検出する。

図３は、光学式エンコーダ１における構成部材の配置関係を示す模式図である。具体的には、図３（Ａ）は、ＸＹ平面Ｓ１上の構成部材とＸＹ平面Ｓ２上の構成部材とスケール２とがそれぞれ離間距離ｄを有して等間隔に配置されている模式図である。図３（Ｂ）は、ＸＹ平面Ｓ１上の構成部材とＸＹ平面Ｓ２上の構成部材とは離間距離ｄを有して配置され、ＸＹ平面Ｓ２上の構成部材とスケール２とは離間距離ｄに加え離間距離ｄ１を有して配置されている模式図である。

図３（Ａ）に示すように、光学式エンコーダ１において、第１格子板５１と第２格子板５２とスケール２と第３格子板５３と受光手段６と、のそれぞれの離間距離は、距離ｄにて等間隔となるように配置されている。

ここで、従来の光学式エンコーダでは、それぞれの構成部材の離間距離が異なる場合、分割された光の受光手段６におけるオーバーラップ量が減少することがあった。しかしながら、光学式エンコーダ１では、前述のように複数の格子板５の格子５１０，５２０，５３０や複数の受光素子６０の所定の周期Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐを設計することで、オーバーラップ量の減少を抑制することができる。また、スケール２が光を反射する反射型であることで、光をスケール２にて折り返すことができるため、ＸＹ平面Ｓ１上の構成部材とＸＹ平面Ｓ２上の構成部材とスケール２との離間距離ｄを等間隔となるように容易に設計することができる。

また、光学式エンコーダ１における構成部材を等間隔に配置することで、光源４から照射され第１格子板５１にて分割される２本の光の光路は、複数の格子板５やスケール２の板面に直交する直交方向を軸に略線対称となる。このため、２本の光の光路長は、略同じ長さとなる。これにより、光学式エンコーダ１は、光源４にコヒーレント長が数ｃｍと短いＬＥＤを採用することができる。そして、光学式エンコーダ１は、光源４のコヒーレント長である数ｃｍ以内に分割された各光の光路長の差を収め、光源４のコヒーレント性の制限内で確実に干渉縞を生じさせることができる。

また、図３（Ｂ）に示すように、図３（Ａ）と異なりＸＹ平面Ｓ２上の構成部材とスケール２とは離間距離ｄに加え離間距離ｄ１を有して配置されている場合でも、図３（Ａ）に示す光学式エンコーダ１と比較して精度が低下する可能性があるものの、同様の効果を得ることができる。具体的には、光学式エンコーダ１は、複数の格子板５の格子５１０，５２０，５３０や複数の受光素子６０の所定の周期Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐを設計することで、オーバーラップ量の減少を抑制することができる。また。光源４から照射され第１格子板５１にて分割される２本の光の光路は、複数の格子板５やスケール２の板面に直交する直交方向を軸に略線対称となる。このため、光学式エンコーダ１は、光源４のコヒーレント長である数ｃｍ以内に分割された各光の光路長の差を収め、光源４のコヒーレント性の制限内で確実に干渉縞を生じさせることができる。

図４は、光学式エンコーダ１におけるスケール２が傾きを有する際の模式図である。
図４に示すように、光学式エンコーダ１は、スケール２が傾きを有していたとしても、測定誤差が生じることを抑制し、信号の検出精度を維持することができる。
具体的には、スケール２がＹ方向を軸に回転し角度αの傾きを有していたとき、第２格子板５２からスケール２に照射された光は、スケール２にて反射し、第２格子板５２における照射位置から－Ｘ方向に距離Ｔ１ずれて第３格子板５３に照射される。第３格子板５３に照射された光は、第１格子板５１における照射位置から－Ｘ方向に距離Ｔ２ずれて受光手段６に照射される。このとき、スケール２から第３格子板５３を通過し受光手段６に照射される光には、光てこが作用する。これにより、スケール２が角度αの傾きを有していたとしても、傾きによる影響が相殺されるため、光学式エンコーダ１は、測定誤差が生じることを抑制し、信号の検出精度を維持することができる。

このような第１実施形態によれば、以下の作用・効果を奏することができる。
（１）光学式エンコーダ１は、第１格子板５１と第２格子板５２と第３格子板５３とのそれぞれの格子５１０，５２０，５３０の所定の周期Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３と、複数の受光素子６０の所定の周期Ｐと、をスケール２の格子状のパターン２０の所定の周期ｇに基づいて設計することで、構成部材の互いの配置位置が変動することにより生じる光の進行方向の変化を抑制することができる。
（２）光学式エンコーダ１は、光源４を設計しなくとも、複数の格子板５が備える格子５１０，５２０，５３０および複数の受光素子６０の設計を工夫することで信号精度の維持を図ることができる。したがって、光学式エンコーダ１は、構成部材の互いの配置位置が変動し離間距離に偏差が生じたとしても、光源４の設計における制約を考慮することなく、信号の検出精度を維持することができる。

（３）第１格子板５１および受光手段６は同一平面Ｓ１上に配置され、第２格子板５２および第３格子板５３とは同一平面Ｓ２上に配置されていることで、それぞれの離間距離ｄを等しくすることができる。したがって、光学式エンコーダ１は、受光手段６における光のオーバーラップ量の減少を抑制することができる。
（４）光学式エンコーダ１は、第１格子板５１と第２格子板５２とスケール３と第３格子板５３と受光手段６と、のそれぞれの離間距離を等間隔とすることで、分割された光の受光手段におけるオーバーラップ量の減少をさらに抑制することができる。

（５）光学式エンコーダ１は、光源４のコヒーレント長である数ｃｍ以内に分割された各光の光路長の差を収め、光源４のコヒーレント性の制限内で確実に干渉縞を生じさせることができる。したがって、光学式エンコーダ１は、光源４のコヒーレント性による制限を回避しつつ、高価なＨｅ－Ｎｅレーザの代わりに例えばＨｅ－Ｎｅレーザと比較して低廉でコヒーレント性の制限が大きいＬＥＤなどを光源として用いることができるため、コスト削減を図ることができる。

（６）光学式エンコーダ１は、後述する第３実施形態の光学式エンコーダ１Ｂが備える第４格子板５４（図７参照）を備えず、受光手段６が有する複数の受光素子６０を第４格子板５４における格子５４０の代わりとして採用している。したがって、光学式エンコーダ１は、第３実施形態における第４格子板５４を備えなくてよいため、コスト削減を図ることができる。
（７）所定の定数ｎは、０．５であることで、０．５以外の定数ｎとした場合と比較して、受光手段６における分割された光のオーバーラップ量を安定させることができる。また、０．５以外の定数ｎとした場合と比較して、所定の周期を容易に算出することができるため、設計における効率化を図ることができる。

〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態を図５および図６に基づいて説明する。なお、以下の説明では、既に説明した部分については、同一符号を付してその説明を省略する。

図５は、第２実施形態に係る光学式エンコーダ１Ａを示す斜視図である。
前記第１実施形態では、複数の格子板５の各格子５１０，５２０，５３０の所定の周期Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３と、複数の受光素子６０の所定の周期Ｐとを定める所定の定数ｎは、０．５であった。
第２実施形態では、複数の格子板５Ａの各格子５１０Ａ，５２０Ａ，５３０Ａの所定の周期Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３と、複数の受光素子６０Ａの所定の周期Ｐとを定める所定の定数ｎは、０．５とは異なる０から１の間の数値である点で前記第１実施形態と異なる。具体的には、第２実施形態では、所定の定数ｎは、０．２５としている。

図５に示すように、光学式エンコーダ１Ａの検出ヘッド３Ａにおける複数の格子板５Ａは、所定の周期Ｐ１で形成される格子５１０Ａを有する第１格子板５１Ａを備える。また、複数の格子板５Ａは、所定の周期Ｐ１よりも小さい周期Ｐ２で形成される格子５２０Ａを有する第２格子板５２Ａを備える。また、複数の格子板５Ａは、所定の周期Ｐ２よりも小さい周期Ｐ３で形成される格子５３０Ａを有する第３格子板５３Ａを備える。受光手段６は、所定の周期Ｐ３と同じ周期Ｐで形成される複数の受光素子６０Ａを有する。

第１実施形態と同様に、第１格子板５１Ａの格子５１０Ａの周期Ｐ１は、「ｇ÷ｎ」で形成される。また、第２格子板５２Ａの格子５２０Ａの周期Ｐ２は、「ｇ÷ｎ÷２」で形成される。また、第３格子板５３Ａの格子５３０Ａの周期Ｐ３および複数の受光素子６０Ａの周期Ｐは、「ｇ÷│１－ｎ│÷２」で形成される。

各所定の周期Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐは、所定の定数ｎを０．２５とし、例えば格子状のパターン２０の所定の周期ｇが「４μｍ」であった場合、次のように求められる。先ず、第１格子板５１Ａの格子５１０Ａの周期Ｐ１は「１６μｍ」となる。次に、第２格子板５２Ａの格子５２０Ａの周期Ｐ２は「８μｍ」となる。続いて、第３格子板５３Ａの格子５３０Ａの周期Ｐ３および複数の受光素子６０Ａの周期Ｐは「２．６６６６６６６７μｍ」となる。説明のため単純な周期を用いたが、このようにスケール２の格子状のパターン２０の所定の周期ｇを基準に複数の格子板５Ａの格子５１０Ａ，５２０Ａ，５３０Ａの所定の周期Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３と複数の受光素子６０Ａの周期Ｐを求めることで、容易にこれらを設計することができるとともに、信号の検出精度を維持することができる。なお、格子状のパターン２０の所定の周期ｇはどのような周期であってもよい。

図６は、光学式エンコーダ１Ａにおける構成部材の配置関係を示す模式図である。具体的には、図６（Ａ）は、ＸＹ平面Ｓ１上の構成部材とＸＹ平面Ｓ２上の構成部材とスケール２とがそれぞれ離間距離ｄを有して等間隔に配置されている模式図である。図６（Ｂ）は、ＸＹ平面Ｓ１上の構成部材とＸＹ平面Ｓ２上の構成部材とは離間距離ｄを有して配置され、ＸＹ平面Ｓ２上の構成部材とスケール２とは離間距離ｄに加え離間距離ｄ１を有して配置されている模式図である。

図６（Ａ）に示すように、光学式エンコーダ１Ａにおいて、第１格子板５１Ａおよび第２格子板５２Ａと、第２格子板５２Ａおよびスケール２と、スケール２および第３格子板５３Ａと、第３格子板５３Ａおよび受光手段６Ａと、のそれぞれの離間距離は、距離ｄにて等間隔となるように配置されている。光学式エンコーダ１Ａは、前述のように複数の格子板５Ａの格子５１０Ａ，５２０Ａ，５３０Ａや複数の受光素子６０Ａの所定の周期Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐを設計することで、オーバーラップ量が減少することを抑制することができる。

また、光学式エンコーダ１Ａにおける構成部材を等間隔に配置することで、第１格子板５１Ａにて分割される２本の光の光路は、複数の格子板５Ａの板面等に直交する直交方向を軸に略線対称となる。このため、２本の光の光路長は、略同じ長さとなるため、光学式エンコーダ１Ａは、光源４のコヒーレント長である数ｃｍ以内に分割された各光の光路長の差を収め、光源４のコヒーレント性の制限内で確実に干渉縞を生じさせることができる。

また、図６（Ｂ）に示すように、図６（Ａ）と異なり、ＸＹ平面Ｓ２上の構成部材とスケール２とは離間距離ｄに加え離間距離ｄ１を有して配置されている場合でも、図６（Ａ）の光学式エンコーダ１Ａと比較して精度が低下する可能性があるものの、同様の効果を得ることができる。具体的には、光学式エンコーダ１Ａは、格子５１０Ａ，５２０Ａ，５３０Ａや複数の受光素子６０Ａの所定の周期Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐを設計することで、オーバーラップ量が減少することを抑制することができる。また、図６（Ａ）の光学式エンコーダ１Ａと同様に、第１格子板５１Ａにて分割される２本の光の光路長は、略同じ長さとなるため、光源４にＬＥＤを採用することができる。

このような第２実施形態においても、前記第１実施形態における（１）～（６）と同様の作用、効果を奏することができる他、以下の作用、効果を奏することができる。
（８）複数の格子板５Ａの各格子５１０Ａ，５２０Ａ，５３０Ａの所定の周期Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３と、複数の受光素子６０Ａの所定の周期Ｐとを定める所定の定数ｎは、前記第１実施形態における０．５以外の数値とすることができる。したがって、光学式エンコーダ１Ａは、設計の自由度を向上させることができる。

〔第３実施形態〕
以下、本発明の第３実施形態を図７に基づいて説明する。なお、以下の説明では、既に説明した部分については、同一符号を付してその説明を省略する。

図７は、第３実施形態に係る光学式エンコーダ１Ｂを示す斜視図である。
第３実施形態では、光学式エンコーダ１Ｂは、第４格子板５４をさらに備えるとともに、複数の受光部６１，６２，６３を有する受光手段６Ｂを備える点で前記第１実施形態と異なる。光学式エンコーダ１Ｂは、第４格子板５４および受光手段６Ｂを除き、第１実施形態における光学式エンコーダ１と略同様の構成を有する。

図７に示すように、光学式エンコーダ１Ｂにおける検出ヘッド３Ｂは、複数の格子板５Ｂと、受光手段６Ｂと、を備える。
複数の格子板５Ｂは、前記第１実施形態と同様の第１格子板５１と、第２格子板５２と、第３格子板５３と、を備える。また、複数の格子板５Ｂは、第３格子板５３と受光手段６Ｂとの間に配置され、第３格子板５３を介した光を受光手段６Ｂに向かって照射する第４格子板５４をさらに備える。

第４格子板５４は、所定の周期Ｐ４で形成される格子５４０を有する。第４格子板５４の格子５４０の所定の周期Ｐ４は、「ｇ÷│１－ｎ│」で形成される。すなわち、第４格子板５４は、前記第１実施形態における複数の受光素子６０の周期Ｐ「ｇ÷│１－ｎ│÷２」とは異なる周期Ｐ４で形成されるものの、複数の受光素子６０と同様に光学式エンコーダ１Ｂにおいて作用する。

本実施形態では、所定の定数ｎは、０．５である。所定の定数ｎを０．５とし例えば格子状のパターン２０の所定の周期ｇが「４μｍ」であった場合、第１格子板５１の格子５１０の周期Ｐ１は「８μｍ」となる。また、第２格子板５２の格子５２０の周期Ｐ２は「４μｍ」となる。また、第３格子板５３の格子５３０の周期Ｐ３は「４μｍ」となる。また、第４格子板５４の格子５４０の周期Ｐ４は「８μｍ」となる。説明のため単純な周期を用いたが、このようにスケール２の格子状のパターン２０の所定の周期ｇを基準に複数の格子板５の格子５１０，５２０，５３０，５４０の所定の周期Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４を求めることで、容易にこれらを設計することができるとともに、信号の検出精度を維持することができる。なお、格子状のパターン２０の所定の周期ｇはどのような周期であってもよい。

受光手段６Ｂは、前記第１実施形態における所定の周期Ｐで配置される複数の受光素子６０は備えていない。受光手段６Ｂは、スケール２により反射され複数の格子板５Ｂを介した光を受光する。具体的には、受光手段６Ｂは、第４格子板５４を通過した光を受光する。
受光手段６Ｂは、第１受光部６１と第２受光部６２と第３受光部６３とを有する。
第４格子板５４を通過した光は、主に０次回折光と、±１次回折光と、±２次回折光とに分割される。第１受光部６１と第２受光部６２と第３受光部６３とは、それぞれにおいて干渉縞を生じる次数の回折光を信号回折光として受光する。第２受光部６２は、主に第４格子板５４を通過した０次回折光を信号回折光として受光する。第１受光部６１と第２受光部６２と第３受光部６３とには、それぞれ１２０°ずつ位相がずれた干渉縞が生成される。受光手段６Ｂは、第１受光部６１と第２受光部６２と第３受光部６３とに生成された干渉縞に基づいてスケール２に対する検出ヘッド３Ｂの変位量を検出する。なお、受光手段６Ｂには、ＰＤＡやＰＳＤ、ＣＣＤ等の任意の検出器を採用可能である。

光学式エンコーダ１Ｂは、第１格子板５１および第４格子板５４を同一平面上に配置している。また、光学式エンコーダ１Ｂは、第２格子板５２および第３格子板５３を同一平面上に配置している。具体的には、第１格子板５１および第４格子板５４は、同一のＸＹ平面Ｓ１上に配置されている。第２格子板５２および第３格子板５３は、ＸＹ平面Ｓ１から距離ｄ分－Ｚ方向（紙面下方向）に離れたところに位置するＸＹ平面Ｓ２上に配置されている。また、第１格子板５１と第２格子板とスケール２と第３格子板と第４格子板５４とは、それぞれ等間隔となる離間距離ｄを有して配置されている。
このように、光学式エンコーダ１Ｂでは、第１実施形態における所定の周期Ｐで配置される複数の受光素子６０を採用できない場合であっても、格子状のパターン２０の周期ｇに基づいて求められる所定の周期Ｐ４で配置される格子５４０を有する第４格子板５４を備えることで、測定誤差が生じることを抑制し、信号の検出精度を維持することができる。

このような第３実施形態においても、前記第１実施形態における（１）～（５），（７）および前記第２実施形態における（８）と同様の作用、効果を奏することができる他、以下の作用、効果を奏することができる。
（９）光学式エンコーダ１Ｂは、第１格子板５１および第４格子板５４と、第２格子板５２および第３格子板５３と、第３格子板５３およびスケール２と、の離間距離ｄを等しくすることができる。したがって、光学式エンコーダ１Ｂは、受光手段６Ｂにおける光のオーバーラップ量の減少を抑制することができる。
（１０）光学式エンコーダ１Ｂは、複数の格子板５Ｂの格子５１０，５２０，５３０，５４０の所定の周期Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４を設計することで、オーバーラップ量が減少することを抑制することができる。

〔実施形態の変形〕
なお、本発明は、前記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記各実施形態では、リニアエンコーダである光学式エンコーダ１，１Ａ～１Ｂに本発明を用いる場合を説明したが、光学式エンコーダであれば、検出器の形式や検出方式等は特に限定されるものではない。
前記各実施形態では、受光手段６，６Ａ～６Ｂは、主に±１次回折光により生成される干渉縞から信号を検出していたが、受光手段は、光を受光し信号を検出することができれば、どのような光を信号として受光してもよい。

前記第１実施形態および前記第２実施形態では、第１格子板５１，５１Ａおよび第２格子板５２，５２Ａと、第２格子板５２，５２Ａおよびスケール２と、スケール２および第３格子板５３，５３Ａと、第３格子板５３，５３Ａおよび受光手段６，６Ａとは、それぞれの離間距離ｄが等間隔となるように配置されていた。また、前記第３実施形態では、第１格子板５１および第２格子板５２と、第２格子板５２およびスケール２と、スケール２および第３格子板５３と、第２格子板５３および第４格子板５４とは、それぞれの離間距離ｄが等間隔となるように配置されていた。しかしながら、各構成部材の離間距離は、それぞれ等間隔となるように配置されていなくてもよい。

前記第１実施形態では、所定の定数ｎは０．５であり、前記第２実施形態では、所定の定数ｎは０．２５であったが、所定の定数ｎは、０から１の間の数値であれば、どのような数値を採用してもよい。
前記第１実施形態および前記第２実施形態では、第１格子板５１，５１Ａおよび受光手段６，６ＡはＸＹ平面Ｓ１上に配置されていた。また、第２格子板５２，５２Ａおよび第３格子板５３，５３ＡはＸＹ平面Ｓ２上に配置されることで同一平面上に配置されていた。前記第３実施形態では、第１格子板５１および第４格子板５４はＸＹ平面Ｓ１上に配置されていた。また、第２格子板５２および第３格子板５３はＸＹ平面Ｓ２上に配置されることで同一平面上に配置されていた。しかしながら、各構成部材は、同一平面上に配置されていなくてもよい。

前記第３実施形態では、受光手段６Ｂは、第１受光部６１と第２受光部６２と第３受光部６３とを有し、それぞれには１２０°ずつ位相がずれた干渉縞が生成されるようになっていたが、受光手段は、３個の受光部を備えていなくてもよく、１個の受光部を備えていてもよいし、４個の受光部を備えていてもよい。受光手段が４個の受光部を備えている場合は、例えばそれぞれには９０°ずつ位相がずれた干渉縞が生成されるようにしてもよい。

以上のように、本発明は、光学式エンコーダに好適に利用できる。

１，１Ａ～１Ｂ 光学式エンコーダ
２ スケール
３，３Ａ～３Ｂ 検出ヘッド
４ 光源
５，５Ａ～５Ｂ 複数の格子板
５１，５１Ａ 第１格子板
５１０，５１０Ａ 第１格子板の格子
５２，５２Ａ 第２格子板
５２０，５２０Ａ 第２格子板の格子
５３，５３Ａ 第３格子板
５３０，５３０Ａ 第３格子板の格子
５４ 第４格子板
５４０ 第４格子板の格子
６，６Ａ～６Ｂ 受光手段
６０，６０Ａ 受光素子

Claims (6)

1. 測定方向に沿って所定の周期で形成される格子状のパターンを一面に有する板状のスケールと、測定方向に沿って前記スケールと相対移動可能に設けられる検出ヘッドと、を備える光学式エンコーダであって、
   前記検出ヘッドは、
   前記スケールに向かって光を照射する光源と、
   前記光源と前記スケールとの間に配置されるとともに前記スケールの板面と平行に配置され、一面に所定の周期で形成される格子を有する複数の格子板と、
   前記スケールにより反射され前記複数の格子板を介した光を受光する受光手段と、を備え、
   前記複数の格子板は、
   前記光源からの光が照射される第１格子板と、
   前記第１格子板と前記スケールとの間に配置され、前記第１格子板を介した光を前記スケールに向かって照射する第２格子板と、
   前記スケールと前記受光手段との間に配置され、前記スケールにより反射された光が照射される第３格子板と、
   前記第３格子板と前記受光手段との間に配置され、前記第３格子板を介した光を前記受光手段に向かって照射する第４格子板と、を備え、
   前記格子状のパターンの所定の周期をｇとし、前記格子の所定の周期を定める０から１の間の所定の定数をｎとするとき、
   前記第１格子板の格子は、ｇ÷ｎの周期で形成され、
   前記第２格子板の格子は、ｇ÷ｎ÷２の周期で形成され、
   前記第３格子板の格子は、ｇ÷│１－ｎ│÷２の周期で形成され、
   前記第４格子板の格子は、ｇ÷│１－ｎ│の周期で形成されることを特徴とする光学式エンコーダ。
2. 測定方向に沿って所定の周期で形成される格子状のパターンを一面に有する板状のスケールと、測定方向に沿って前記スケールと相対移動可能に設けられる検出ヘッドと、を備える光学式エンコーダであって、
   前記検出ヘッドは、
   前記スケールに向かって光を照射する光源と、
   前記光源と前記スケールとの間に配置されるとともに前記スケールの板面と平行に配置され、一面に所定の周期で形成される格子を有する複数の格子板と、
   前記スケールにより反射され前記複数の格子板を介した光を受光する複数の受光素子を有する受光手段と、を備え、
   前記複数の格子板は、
   前記光源からの光が照射される第１格子板と、
   前記第１格子板と前記スケールとの間に配置され、前記第１格子板を介した光を前記スケールに向かって照射する第２格子板と、
   前記スケールと前記受光手段との間に配置され、前記スケールにより反射された光が照射される第３格子板と、を備え、
   前記複数の受光素子は、
   前記スケールの板面と平行な前記受光手段の一面に所定の周期で形成され、
   前記格子状のパターンの所定の周期をｇとし、前記格子の所定の周期および前記複数の受光素子の所定の周期を定める０から１の間の所定の定数をｎとするとき、
   前記第１格子板の格子は、ｇ÷ｎの周期で形成され、
   前記第２格子板の格子は、ｇ÷ｎ÷２の周期で形成され、
   前記第３格子板の格子および前記複数の受光素子は、ｇ÷│１－ｎ│÷２の周期で形成されることを特徴とする光学式エンコーダ。
3. 請求項１または請求項２に記載された光学式エンコーダにおいて、
   前記所定の定数ｎは、０．５であることを特徴とする光学式エンコーダ。
4. 請求項１に記載された光学式エンコーダにおいて、
   前記第１格子板および前記第４格子板、または、前記第１格子板および前記受光手段と、前記第２格子板および前記第３格子板とは、それぞれ同一平面上に配置されていることを特徴とする光学式エンコーダ。
5. 請求項１に記載された光学式エンコーダにおいて、
   前記第１格子板と前記第２格子板と前記スケールと前記第３格子板と、前記第４格子板または前記受光手段と、のそれぞれの離間距離は、等間隔であることを特徴とする光学式エンコーダ。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載された光学式エンコーダにおいて、
   前記光源は、ＬＥＤであることを特徴とする光学式エンコーダ。

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