光電式エンコーダ
【課題】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。
【解決手段】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。
【解決手段】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。
【発明の詳細な説明】
【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】
【発明が解決しようとする課題】
【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いるので、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、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いて、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あわせるために、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い。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。
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、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。
【００１１】
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アクチュエータであってもよい。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】
【００１２】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
［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、本エ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アクチュエータ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。
【００１４】
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。インデックス回折格子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、５０μｍ以下、例えば、８μｍ程度に設定されている。変調装置としてのアクチュエータ１７は、例えば、ピエゾ素子からなり、振動幅：数μｍ、周波数：２０〜３０ｋＨｚ程度で振動可能である。
【００１５】
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、アクチュエータ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。
【００１６】
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、アクチュエータ駆動回路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。
【００１７】
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い０次光や±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。言い換えれば、格子像から射出した±１次回折光は、移動回折格子１５の回折作用によって統合された状態で、受光素子１６に入射する。受光素子１６は、入射した±１次回折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。
【００１８】
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、アクチュエータ１７が駆動される。アクチュエータ１７が駆動されると、インデックス回折格子１３の位置がＸ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（これによっ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。
【００１９】
先ず、アクチュエータ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+、−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。
【００２０】
Ｉ+＝ｅｘｐ［２ｊπｘ／ｐ］ ・・・（１）
Ｉ-＝ｅｘｐ［−２ｊπｘ／ｐ］ ・・・（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。
Ｉ＝１／２｜ｅｘｐ［２ｊπｘ／ｐ］＋ｅｘｐ［−２ｊπｘ／ｐ］｜２ ・・・（３）
次に、アクチュエータ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／２）の正弦波（ｓｉｎωｔ）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２ｄ＝２πε／ｐ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−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−１次回折光との位相差が変調される。
【００２１】
よって、本エンコーダでは、＋１次回折光の複素振幅Ｉ+、−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［２ｊπｘ／ｐ−ｊπε／ｐ・ｓｉｎ（ωｔ）］ ・・・（４）
Ｉ-＝ｅｘｐ［−２ｊπｘ／ｐ＋ｊπε／ｐ・ｓｉｎ（ωｔ）］ ・・・（５）
式（４），（５）は、変調度２ｄ＝２πε／ｐによって式（６），（７）のとおり表される。
【００２２】
Ｉ+＝ｅｘｐ［２ｊπｘ／ｐ−ｊｄ・ｓｉｎ（ωｔ）］ ・・・（６）
Ｉ-＝ｅｘｐ［−２ｊπｘ／ｐ＋ｊｄ・ｓｉｎ（ωｔ）］ ・・・（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。
Ｉ＝１／２｜ｅｘｐ［２ｊπｘ／ｐ−ｊｄ・ｓｉｎ（ωｔ）］
＋ｅｘｐ［−２ｊπｘ／ｐ＋ｊｄ・ｓｉｎ（ωｔ）］｜２
＝１＋ｃｏｓ［４πｘ／ｐ−２ｄ・ｓｉｎ（ωｔ）］
＝１＋ｃｏｓ（４πｘ／ｐ）・ｃｏｓ［２ｄ・ｓｉｎ（ωｔ）］
＋ｓｉｎ（４πｘ／ｐ）・ｓｉｎ［２ｄ・ｓｉｎ（ωｔ）］ ・・・（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。
【００２３】
Ｉ＝１＋Ｊ0（２ｄ）・ｃｏｓ（４πｘ／ｐ）
＋２Ｊ1（２ｄ）・ｓｉｎ（４πｘ／ｐ）・ｓｉｎ（ωｔ）
＋２Ｊ2（２ｄ）・ｃｏｓ（４πｘ／ｐ）・ｃｏｓ（２ωｔ）
＋２Ｊ3（２ｄ）・ｓｉｎ（４πｘ／ｐ）・ｓｉｎ（３ωｔ）
＋２Ｊ4（２ｄ）・ｃｏｓ（４πｘ／ｐ）・ｃｏｓ（４ωｔ）
＋・・・ ・・・（９）
但し、Ｊn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る。因みに、変調度２ｄとベッセル展開係数Ｊn（ｎ＝１，２，・・・）との関係は、図２に示すとおりである。
【００２４】
式（９）より、干渉信号Ｉの時間変化の０次成分Ｉ0、１次成分Ｉ1、２次成分Ｉ2、３次成分Ｉ3、４次成分Ｉ4、・・・は、それぞれ次式（１０）のとおり表される。なお、０次成分Ｉ0は、時間的に変化しない周波数成分の強度であり、ｎ次成分Ｉnは、角周波数ｎωで時間的に変化する周波数成分の強度である。
Ｉ0＝１＋Ｊ0（２ｄ）・ｃｏｓ（４πｘ／ｐ），
Ｉ1＝２Ｊ1（２ｄ）・ｓｉｎ（４πｘ／ｐ），
Ｉ2＝２Ｊ2（２ｄ）・ｃｏｓ（４πｘ／ｐ），
Ｉ3＝２Ｊ3（２ｄ）・sｉｎ（４πｘ／ｐ），
Ｉ4＝２Ｊ4（２ｄ）・ｃｏｓ（４πｘ／ｐ），・・・ ・・・（１０）
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Ｉ1）と、別の特定周波数成分（例えば、２次成分Ｉ2）とを、９０°ずれた位相で変位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、本エンコーダでは、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。
【００２５】
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）が生じないという効果を奏する。
【００２６】
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。
【００２７】
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（２ωｔ））の強度が高くなる。また、変位ｘがプラス方向に大きいほど、１次成分（ｓｉｎ（ωｔ））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（−ｓｉｎ（ωｔ））の強度が高くなる。
【００２８】
因みに、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（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−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。
【００２９】
また、変位ｘが０°であるときの干渉信号Ｉの時間変化波形（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。
【００３０】
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（ｅ）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。
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。
【００３１】
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（ｓｉｎωｔ）に応じて、アクチュエータ駆動回路２９に対し正弦波からなる変調信号を与え、アクチュエータ１７を駆動制御する。これによって、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「Ｊ0」は、図２中に矢印で示すように０となる。
【００３２】
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Ｉ0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１次成分Ｉ1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、その２次成分Ｉ2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、その３次成分Ｉ3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、その４次成分Ｉ4を抽出する。
【００３３】
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「ｓｉｎωｔ」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Ｉ1を抽出する。
【００３４】
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２ω、前記パルス信号とは位相の９０°ずれたパルス信号（図４中「ｃｏｓ２ωｔ」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Ｉ2を抽出する。そして、図１のエンコーダ出力処理回路２７は、抽出された１次成分Ｉ1、２次成分Ｉ2を取り込み、それらの成分Ｉ1，Ｉ2と、ベッセル展開係数Ｊ1，Ｊ2（定数）と、式（１０）とに基づき、ｓｉｎ（４πｘ／ｐ）の値を示すサイン信号Ｓｓと、ｃｏｓ（４πｘ／ｐ）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って生成されたもの）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。
【００３５】
また、変調度制御回路２８は、抽出された１次成分Ｉ1、２次成分Ｉ2、３次成分Ｉ3、４次成分Ｉ4を取り込み、それらの成分Ｉ1，Ｉ2，Ｉ3，Ｉ4と、式（１０）とに基づき、本エンコーダで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、「Ｉ1／Ｉ3」，「Ｉ2／Ｉ4」によって表される。）。さらに、変調度制御回路２８は、モニタした変調度２ｄが前述した目標値「２．３」に近づく方向にアクチュエータ駆動回路２９を制御する。これによって、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。）。
【００３６】
また、光量制御回路３２は、抽出された０次成分Ｉ0を取り込み、その０次成分Ｉ0の変動が抑えられる方向に光源駆動回路３０を制御する。これによって、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、ベッセル展開係数Ｊ0＝０となり、０次成分Ｉ0が光量（振幅）それ自体を示す。この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。
【００３７】
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、１４Ｂで個別に偏向していたが、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。
［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アクチュエータ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。
【００３８】
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’の格子像ではなく、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）を用いることができる。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）が用いられる。
【００３９】
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ータレンズ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。
【００４０】
以上の本エンコーダにおいては、アクチュエータ１７が駆動されると、インデックス格子１３’の位置がＸ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（これによって移動格子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ｆが、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ｆ0，１次成分ｆ1，２次成分ｆ2，・・・などが抽出される。
【００４１】
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）のとおりテイラー展開される。なお、本エンコーダの変調波形を、ｄｓｉｎ（ωｔ）とした。
ｆ［ｘ，ｄｓｉｎ（ωｔ）］
＝ｆ（ｘ）＋ｆ’（ｘ）・ｄ・ｓｉｎ（ωｔ）＋ｆ”（ｘ）／２・ｄ2・ｓｉｎ2（ωｔ）＋・・・
＝ｆ（ｘ）＋ｆ’（ｘ）・ｄ・ｓｉｎ（ωｔ）＋ｆ”（ｘ）・ｄ2／４・［１−ｃｏｓ（２ωｔ）］＋・・・ ・・・（１１）
式（１１）より、強度信号ｆの時間的な変化の１次成分ｆ1の強度は、ｆ'(ｘ)に比例し、２次成分ｆ2の強度は、ｆ”（ｘ）に比例することがわかる。
【００４２】
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）と表されるとき）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。
【００４３】
このとき、本エンコーダで抽出される１次成分ｆ1は、図５（ｂ）に示すとおりとなる。なお、図５（ｂ）には、１次成分ｆ1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。
【００４４】
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’の位置をアクチュエータ１７で変調しても構わない。
［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、回路部分にある。
【００４５】
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アクチュエータ駆動回路２９に与え、アクチュエータ１７を駆動制御する。これによって、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、２πに設定される。
【００４６】
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−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。
【００４７】
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。
【００４８】
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アクチュエータ駆動回路２９を制御する。これによって、変調度２ｄが一定値（２π）に保たれる（フィードバック制御される。）。
【００４９】
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Ｉ0を抽出する。光量制御回路３２は、この０次成分Ｉ0を取り込み、その０次成分Ｉ0の変動が抑えられる方向に光源駆動回路３０を制御する。これによっ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。
【００５０】
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２πに設定したが、２πの整数倍に設定しても、同様の効果を得ることができる。
［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、アクチュエータ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が、図８に示すように、アクチュエータ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（ＥＯＭ）等を挿入して±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。
【００５１】
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が、例えば、一方の光路にのみ平行平板を挿入する方法などがある。
【００５２】
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い。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）ことによっても、同様の効果が得られる。
【００５３】
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。
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。
【００５４】
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、ロータリーエンコーダを構成してもよい。
「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。
【００５５】
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、本エンコーダの変調装置としてのアクチュエータ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。
【００５６】
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。
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。
【００５７】
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）に一致させたが、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。
【００５８】
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をアクチュエータ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。
【００５９】
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。
［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、アクチュエータ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。
【００６０】
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ッチ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ｐよりも十分に小さく設定される。例えば、ｐ＝８μｍに対し、ｐ’≦数μｍ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ができる。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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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、本エ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。
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。
【００６４】
また、図１１（ａ）に示すよう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。
【００６５】
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、アクチュエータやＥＯＭなどを用いたがそれらに限定されず、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い。前述のアクチュエータやＥＯＭもそのような作用を有するが、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クス格子に向か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。
【００６６】
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い。
【００６７】
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、エンコー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。
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ーレントな光を２つに分割するビームスプリッタを用いてもよい。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。
【００６８】
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。
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。
【００６９】
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ク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１５、インデックス回折格子１３、受光素子１６の順に配列してもよい。
【００７０】
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などの互い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。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【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とベッセル展開係数Ｊn（ｎ＝１，２，・・・）との関係を示す図である。
【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】
【００７２】
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 アクチュエータ、
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
【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】
【発明が解決しようとする課題】
【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いるので、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、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いて、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あわせるために、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い。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。
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、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。
【００１１】
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アクチュエータであってもよい。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】
【００１２】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
［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、本エ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アクチュエータ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。
【００１４】
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。インデックス回折格子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、５０μｍ以下、例えば、８μｍ程度に設定されている。変調装置としてのアクチュエータ１７は、例えば、ピエゾ素子からなり、振動幅：数μｍ、周波数：２０〜３０ｋＨｚ程度で振動可能である。
【００１５】
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、アクチュエータ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。
【００１６】
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、アクチュエータ駆動回路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。
【００１７】
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い０次光や±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。言い換えれば、格子像から射出した±１次回折光は、移動回折格子１５の回折作用によって統合された状態で、受光素子１６に入射する。受光素子１６は、入射した±１次回折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。
【００１８】
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、アクチュエータ１７が駆動される。アクチュエータ１７が駆動されると、インデックス回折格子１３の位置がＸ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（これによっ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。
【００１９】
先ず、アクチュエータ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+、−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。
【００２０】
Ｉ+＝ｅｘｐ［２ｊπｘ／ｐ］ ・・・（１）
Ｉ-＝ｅｘｐ［−２ｊπｘ／ｐ］ ・・・（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。
Ｉ＝１／２｜ｅｘｐ［２ｊπｘ／ｐ］＋ｅｘｐ［−２ｊπｘ／ｐ］｜２ ・・・（３）
次に、アクチュエータ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／２）の正弦波（ｓｉｎωｔ）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２ｄ＝２πε／ｐ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−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−１次回折光との位相差が変調される。
【００２１】
よって、本エンコーダでは、＋１次回折光の複素振幅Ｉ+、−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［２ｊπｘ／ｐ−ｊπε／ｐ・ｓｉｎ（ωｔ）］ ・・・（４）
Ｉ-＝ｅｘｐ［−２ｊπｘ／ｐ＋ｊπε／ｐ・ｓｉｎ（ωｔ）］ ・・・（５）
式（４），（５）は、変調度２ｄ＝２πε／ｐによって式（６），（７）のとおり表される。
【００２２】
Ｉ+＝ｅｘｐ［２ｊπｘ／ｐ−ｊｄ・ｓｉｎ（ωｔ）］ ・・・（６）
Ｉ-＝ｅｘｐ［−２ｊπｘ／ｐ＋ｊｄ・ｓｉｎ（ωｔ）］ ・・・（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。
Ｉ＝１／２｜ｅｘｐ［２ｊπｘ／ｐ−ｊｄ・ｓｉｎ（ωｔ）］
＋ｅｘｐ［−２ｊπｘ／ｐ＋ｊｄ・ｓｉｎ（ωｔ）］｜２
＝１＋ｃｏｓ［４πｘ／ｐ−２ｄ・ｓｉｎ（ωｔ）］
＝１＋ｃｏｓ（４πｘ／ｐ）・ｃｏｓ［２ｄ・ｓｉｎ（ωｔ）］
＋ｓｉｎ（４πｘ／ｐ）・ｓｉｎ［２ｄ・ｓｉｎ（ωｔ）］ ・・・（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。
【００２３】
Ｉ＝１＋Ｊ0（２ｄ）・ｃｏｓ（４πｘ／ｐ）
＋２Ｊ1（２ｄ）・ｓｉｎ（４πｘ／ｐ）・ｓｉｎ（ωｔ）
＋２Ｊ2（２ｄ）・ｃｏｓ（４πｘ／ｐ）・ｃｏｓ（２ωｔ）
＋２Ｊ3（２ｄ）・ｓｉｎ（４πｘ／ｐ）・ｓｉｎ（３ωｔ）
＋２Ｊ4（２ｄ）・ｃｏｓ（４πｘ／ｐ）・ｃｏｓ（４ωｔ）
＋・・・ ・・・（９）
但し、Ｊn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る。因みに、変調度２ｄとベッセル展開係数Ｊn（ｎ＝１，２，・・・）との関係は、図２に示すとおりである。
【００２４】
式（９）より、干渉信号Ｉの時間変化の０次成分Ｉ0、１次成分Ｉ1、２次成分Ｉ2、３次成分Ｉ3、４次成分Ｉ4、・・・は、それぞれ次式（１０）のとおり表される。なお、０次成分Ｉ0は、時間的に変化しない周波数成分の強度であり、ｎ次成分Ｉnは、角周波数ｎωで時間的に変化する周波数成分の強度である。
Ｉ0＝１＋Ｊ0（２ｄ）・ｃｏｓ（４πｘ／ｐ），
Ｉ1＝２Ｊ1（２ｄ）・ｓｉｎ（４πｘ／ｐ），
Ｉ2＝２Ｊ2（２ｄ）・ｃｏｓ（４πｘ／ｐ），
Ｉ3＝２Ｊ3（２ｄ）・sｉｎ（４πｘ／ｐ），
Ｉ4＝２Ｊ4（２ｄ）・ｃｏｓ（４πｘ／ｐ），・・・ ・・・（１０）
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Ｉ1）と、別の特定周波数成分（例えば、２次成分Ｉ2）とを、９０°ずれた位相で変位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、本エンコーダでは、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。
【００２５】
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）が生じないという効果を奏する。
【００２６】
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。
【００２７】
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（２ωｔ））の強度が高くなる。また、変位ｘがプラス方向に大きいほど、１次成分（ｓｉｎ（ωｔ））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（−ｓｉｎ（ωｔ））の強度が高くなる。
【００２８】
因みに、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（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−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。
【００２９】
また、変位ｘが０°であるときの干渉信号Ｉの時間変化波形（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。
【００３０】
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（ｅ）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。
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。
【００３１】
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（ｓｉｎωｔ）に応じて、アクチュエータ駆動回路２９に対し正弦波からなる変調信号を与え、アクチュエータ１７を駆動制御する。これによって、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「Ｊ0」は、図２中に矢印で示すように０となる。
【００３２】
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Ｉ0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１次成分Ｉ1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、その２次成分Ｉ2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、その３次成分Ｉ3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、その４次成分Ｉ4を抽出する。
【００３３】
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「ｓｉｎωｔ」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Ｉ1を抽出する。
【００３４】
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２ω、前記パルス信号とは位相の９０°ずれたパルス信号（図４中「ｃｏｓ２ωｔ」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Ｉ2を抽出する。そして、図１のエンコーダ出力処理回路２７は、抽出された１次成分Ｉ1、２次成分Ｉ2を取り込み、それらの成分Ｉ1，Ｉ2と、ベッセル展開係数Ｊ1，Ｊ2（定数）と、式（１０）とに基づき、ｓｉｎ（４πｘ／ｐ）の値を示すサイン信号Ｓｓと、ｃｏｓ（４πｘ／ｐ）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って生成されたもの）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。
【００３５】
また、変調度制御回路２８は、抽出された１次成分Ｉ1、２次成分Ｉ2、３次成分Ｉ3、４次成分Ｉ4を取り込み、それらの成分Ｉ1，Ｉ2，Ｉ3，Ｉ4と、式（１０）とに基づき、本エンコーダで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、「Ｉ1／Ｉ3」，「Ｉ2／Ｉ4」によって表される。）。さらに、変調度制御回路２８は、モニタした変調度２ｄが前述した目標値「２．３」に近づく方向にアクチュエータ駆動回路２９を制御する。これによって、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。）。
【００３６】
また、光量制御回路３２は、抽出された０次成分Ｉ0を取り込み、その０次成分Ｉ0の変動が抑えられる方向に光源駆動回路３０を制御する。これによって、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、ベッセル展開係数Ｊ0＝０となり、０次成分Ｉ0が光量（振幅）それ自体を示す。この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。
【００３７】
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、１４Ｂで個別に偏向していたが、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。
［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アクチュエータ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。
【００３８】
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’の格子像ではなく、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）を用いることができる。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）が用いられる。
【００３９】
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ータレンズ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。
【００４０】
以上の本エンコーダにおいては、アクチュエータ１７が駆動されると、インデックス格子１３’の位置がＸ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（これによって移動格子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ｆが、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ｆ0，１次成分ｆ1，２次成分ｆ2，・・・などが抽出される。
【００４１】
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）のとおりテイラー展開される。なお、本エンコーダの変調波形を、ｄｓｉｎ（ωｔ）とした。
ｆ［ｘ，ｄｓｉｎ（ωｔ）］
＝ｆ（ｘ）＋ｆ’（ｘ）・ｄ・ｓｉｎ（ωｔ）＋ｆ”（ｘ）／２・ｄ2・ｓｉｎ2（ωｔ）＋・・・
＝ｆ（ｘ）＋ｆ’（ｘ）・ｄ・ｓｉｎ（ωｔ）＋ｆ”（ｘ）・ｄ2／４・［１−ｃｏｓ（２ωｔ）］＋・・・ ・・・（１１）
式（１１）より、強度信号ｆの時間的な変化の１次成分ｆ1の強度は、ｆ'(ｘ)に比例し、２次成分ｆ2の強度は、ｆ”（ｘ）に比例することがわかる。
【００４２】
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）と表されるとき）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。
【００４３】
このとき、本エンコーダで抽出される１次成分ｆ1は、図５（ｂ）に示すとおりとなる。なお、図５（ｂ）には、１次成分ｆ1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。
【００４４】
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’の位置をアクチュエータ１７で変調しても構わない。
［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、回路部分にある。
【００４５】
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アクチュエータ駆動回路２９に与え、アクチュエータ１７を駆動制御する。これによって、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、２πに設定される。
【００４６】
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−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。
【００４７】
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。
【００４８】
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アクチュエータ駆動回路２９を制御する。これによって、変調度２ｄが一定値（２π）に保たれる（フィードバック制御される。）。
【００４９】
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Ｉ0を抽出する。光量制御回路３２は、この０次成分Ｉ0を取り込み、その０次成分Ｉ0の変動が抑えられる方向に光源駆動回路３０を制御する。これによっ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。
【００５０】
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２πに設定したが、２πの整数倍に設定しても、同様の効果を得ることができる。
［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、アクチュエータ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が、図８に示すように、アクチュエータ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（ＥＯＭ）等を挿入して±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。
【００５１】
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が、例えば、一方の光路にのみ平行平板を挿入する方法などがある。
【００５２】
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い。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）ことによっても、同様の効果が得られる。
【００５３】
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。
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。
【００５４】
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、ロータリーエンコーダを構成してもよい。
「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。
【００５５】
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、本エンコーダの変調装置としてのアクチュエータ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。
【００５６】
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。
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。
【００５７】
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）に一致させたが、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。
【００５８】
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をアクチュエータ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。
【００５９】
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。
［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、アクチュエータ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。
【００６０】
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ッチ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ｐよりも十分に小さく設定される。例えば、ｐ＝８μｍに対し、ｐ’≦数μｍ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ができる。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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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、本エ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。
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。
【００６４】
また、図１１（ａ）に示すよう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。
【００６５】
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、アクチュエータやＥＯＭなどを用いたがそれらに限定されず、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い。前述のアクチュエータやＥＯＭもそのような作用を有するが、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クス格子に向か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。
【００６６】
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い。
【００６７】
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、エンコー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。
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ーレントな光を２つに分割するビームスプリッタを用いてもよい。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。
【００６８】
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。
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。
【００６９】
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ク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１５、インデックス回折格子１３、受光素子１６の順に配列してもよい。
【００７０】
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などの互い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。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【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とベッセル展開係数Ｊn（ｎ＝１，２，・・・）との関係を示す図である。
【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】
【００７２】
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 アクチュエータ、
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
【特許請求の範囲】
【請求項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光電式エンコーダ。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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１〜請求項４の何れか一項に記載の光電式エンコーダ。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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あわせるために、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。
【請求項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。
【請求項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１〜請求項１０の何れか一項に記載の光電式エンコーダ。
【請求項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１０の何れか一項に記載の光電式エンコーダ。
【請求項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１１の何れか一項に記載の光電式エンコーダ。
【請求項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１２の何れか一項に記載の光電式エンコーダ。
【請求項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１３の何れか一項に記載の光電式エンコーダ。
【請求項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アクチュエートするアクチュエータを有することを特徴とする請求項１〜請求項１４の何れか一項に記載の光電式エンコーダ。
【請求項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１〜１５の何れか一項に記載の光電式エンコーダ。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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〜請求項１９の何れか一項に記載の光電式エンコーダ。
【請求項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。
【請求項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２１の何れか一項に記載の光電式エンコーダ。
【請求項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光電式エンコーダ。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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１〜請求項４の何れか一項に記載の光電式エンコーダ。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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あわせるために、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。
【請求項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。
【請求項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１〜請求項１０の何れか一項に記載の光電式エンコーダ。
【請求項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１０の何れか一項に記載の光電式エンコーダ。
【請求項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１１の何れか一項に記載の光電式エンコーダ。
【請求項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１２の何れか一項に記載の光電式エンコーダ。
【請求項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１３の何れか一項に記載の光電式エンコーダ。
【請求項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アクチュエートするアクチュエータを有することを特徴とする請求項１〜請求項１４の何れか一項に記載の光電式エンコーダ。
【請求項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１〜１５の何れか一項に記載の光電式エンコーダ。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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〜請求項１９の何れか一項に記載の光電式エンコーダ。
【請求項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。
【請求項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２１の何れか一項に記載の光電式エンコーダ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００６−３４３３１４（Ｐ２００６−３４３３１４Ａ）
【公開日】平成１８年１２月２１日（２００６．１２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３５７６５８（Ｐ２００５−３５７６５８）
【出願日】平成１７年１２月１２日（２００５．１２．１２）
【出願人】（５９３１５２６６１）株式会社仙台ニコン (63)
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１２月２１日（２００６．１２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１２月１２日（２００５．１２．１２）
【出願人】（５９３１５２６６１）株式会社仙台ニコン (63)
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
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