特許 6386337 光学式エンコーダ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6386337

(24)【登録日】2018年8月17日

(45)【発行日】2018年9月5日

(54)【発明の名称】光学式エンコーダ

(51)【国際特許分類】

   G01D 5/38 20060101AFI20180827BHJP

【ＦＩ】

   G01D5/38 A

【請求項の数】9

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2014-216274(P2014-216274)

(22)【出願日】2014年10月23日

(65)【公開番号】特開2016-85055(P2016-85055A)

(43)【公開日】2016年5月19日

【審査請求日】2017年9月14日

(73)【特許権者】

【識別番号】000137694

【氏名又は名称】株式会社ミツトヨ

(74)【代理人】

【識別番号】100103894

【弁理士】

【氏名又は名称】家入 健

(72)【発明者】

【氏名】木村 彰秀

【審査官】 深田 高義

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０００−３０４５０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特公昭６０−４１２８３（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特開平５−１２６６０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特公昭６２−４８１６７（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特開平９−８１９４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平４−２９１１０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１３−５４６００１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特公平６−１０３１９４（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特公平１−３００８８（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 米国特許出願公開第２００１／０００６４２１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許第５４５０１９９（ＵＳ，Ａ）

【文献】 米国特許第４６３６０７６（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｄ ５／３８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光源と、
光源からの光を分割する分割手段と、
受光ユニットと、
主面に格子が配置され、光路上に位置し且つ測位方向に移動可能なスケールと、
前記分割手段から前記受光ユニットまでの光路上に、分割された光を相異なる位相差で回折する複数の回折格子からなるオフセット回折格子を備え、
前記オフセット回折格子は、前記複数の回折格子が前記スケールの主面に平行な一面に配置され、測位方向に直交する方向に互いにオフセットし、
前記受光ユニットは、オフセット方向に複数の受光素子を配置する
ことを特徴とする光学式エンコーダ。

【請求項2】

前記分割手段は、第１の無偏光ビームスプリッタであり、
前記光学式エンコーダは、前記スケールから前記受光ユニットまでの光路に第２の無偏光ビームスプリッタを備えることを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。

【請求項3】

前記オフセット回折格子は、前記スケールから前記第２の無偏光ビームスプリッタまでの光路に位置することを特徴とする請求項２に記載の光学式エンコーダ。

【請求項4】

前記オフセット回折格子は、前記第１の無偏光ビームスプリッタから前記スケールまでの光路に位置することを特徴とする請求項２に記載の光学式エンコーダ。

【請求項5】

前記分割手段は、インデックス格子であることを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。

【請求項6】

前記オフセット回折格子は、前記スケールから、前記受光ユニットへ光を出射する前記インデックス格子の部位までの光路に位置することを特徴とする請求項５に記載の光学式エンコーダ。

【請求項7】

前記オフセット回折格子は、前記光源からの光が入射する前記インデックス格子の部位から前記スケールまでの光路に位置することを特徴とする請求項５に記載の光学式エンコーダ。

【請求項8】

前記スケールが、光を反射することを特徴とする請求項５に記載の光学式エンコーダ。

【請求項9】

前記受光ユニットは、オフセット方向に配置された複数の受光素子を複数列有することを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の光学式エンコーダ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光学式エンコーダに関する。

【背景技術】

【0002】

現在、移動量を測定する装置の一つとして、光学式リニアエンコーダがある。光学式リニアエンコーダは、スケールとスケールに沿って移動する検出ヘッドとを有し、検出ヘッドがスケールに沿って移動するときにメイン信号用干渉縞の輝度の増減を読み取ることにより、測定開始位置からメイン信号用干渉縞何本分移動したかを測定し、移動量を測定することができる。

【0003】

この光学式リニアエンコーダでは、さらなる高精度の測定のために、高分解能化が検討されている。例えば、光学式リニアエンコーダは、スケールに１μｍ以下の微細なピッチの目盛りを回折格子として形成し、相対変位を高精度に検出することが検討されている。このような光学式リニアエンコーダは、大別して以下の４通りの技術に分類される。

【0004】

（１）偏光ビームスプリッタ及び無偏光ビームスプリッタを用いる光学系
方式（１）として、特許文献１〜３が開示されている。この方式の例を、図９を用いて説明する。

【0005】

図９の格子干渉型変位検出装置５０において、レーザ光源５１から出射されたレーザビームは、偏光ビームスプリッタ５２の偏光方向に従って二波に分割される。そして、分割光束Ａ，Ｂは、測位方向に沿って透過型の回折格子５３が形成されたスケール５４上の異なる二つの回折点Ｐ１，Ｐ２に入射される。そして、回折点Ｐ１，Ｐ２で各分割光束Ａ，Ｂの１次回折光Ａ１，Ｂ１が生成され、無偏光ビームスプリッタ５５に入射する。これらの各１次回折光Ａ１，Ｂ１は、無偏光ビームスプリッタ５５上の一点に集められて混合され、混合波ＭＡ，ＭＢとなる。

【0006】

混合波ＭＡは、偏光板５７Ａにおいて、偏光方向を一致させて干渉光となる。そして干渉光は、受光素子５８Ａにおいて電気信号に変換される。また、混合波ＭＢは、１／４波長板５９において、一偏光成分のみの位相を９０度遅らせた後に、偏光板５７Ｂにおいて、偏光方向を一致させて干渉光となる。そして干渉光は、受光素子５８Ｂにおいて電気信号に変換される。

【0007】

方式（１）では、光の分波または混合に用いるビームスプリッタ、及び干渉信号間に位相差を生じさせるための波長板または偏光板など、多くの高価な光学部品を必要とするため、コストが高くなる。

【0008】

（２）回折格子を用いる光学系
方式（２）として、特許文献４〜６が開示されている。この方式の例を、図１０を用いて説明する。

【0009】

図１０において、光源より入射した光束は、インデックス格子６１において、直進（０次回折）する光束と、１次回折した光束に分けられる。この1次回折した光束は、直進する光束に対して位相Ψを有する、

【0010】

そして、直進する光束は、スケール格子６２において回折して、位相Ωを有する光束となり、回折した光束は、スケール格子６２において回折して、位相Ψ＋Ωを有する光束となる。

【0011】

インデックス格子６３において、位相Ωを有する光束と位相Ψ＋Ωを有する光束とが、一方の光束が回折して更に位相Ψを加え、他方の光束が直進し、両者の光束が混合される。

【0012】

このように、方式（２）では、所定の位相差を有する複数の干渉信号を作成するために、インデックス格子に位相格子を用いるが、この位相格子は、格子溝の深さ及び格子のデューティ比を特別に設計する必要がある。

【0013】

したがって、方式（２）において、スケールの格子ピッチを微細化する場合、インデックス格子のピッチも合わせて微細化する必要がある。しかしながら、インデックス格子のデューティ比も相対的に保ちながら微細化する必要があるため、インデックス格子の製作が困難である。

【0014】

（３）測位方向に物理的なオフセットのある回折格子を用いる光学系
方式（３）として、特許文献７〜９が開示されている。この方式の例を、図１１を用いて説明する。

【0015】

図１１において、発光素子７１から射出した発散光束は、ミラー７２で進路を曲げられて、レンズ７３によって平行光束にされ、第１回折格子７４に入射し、第１回折格子７４にて透過回折されて、スケール上の回折格子７５上にて反射回折され、第３回折格子７６にて互いに光路を重ね合わされ混合された回折光束は、干渉光となって受光素子７７Ａ、７７Ｂ、７７Ｃ、及び７７Ｄに入射する。

【0016】

このように方式（３）では、光波の分割・混合の構成については、前述の方式（２）とほぼ同じ構成を用い、所定の位相差を有する複数の干渉信号を生成する構成として、測位方向に物理的なオフセットのある回折格子を用いる。

【0017】

したがって方式（３）では、方式（２）と異なり、格子の形式（振幅格子／位相格子）にも制約がなく、干渉信号に所定の位相差を与えるために格子パラメータ設計（格子溝深さや格子デューティ比）する必要がない。この点で、方式（３）は格子干渉型エンコーダに比較的適用しやすい。

【0018】

一方、方式（３）は、所定の位相差を有する複数の干渉信号を、それぞれスケール上の異なる位置から得ている構成であるため、図１２のようにスケール上の回折格子７５に７８で示す局所的な欠陥があった場合、受光素子７７Ｃで受光する干渉信号のみ変化が生じてしまう。その結果、干渉信号間の強度のバランスが崩れ、検出位置精度が悪化しやすい。

【0019】

（４）干渉縞を受光素子アレイで検出する光学系
方式（４）では、光学素子とスケールを用いて２つの光束の干渉縞を発生させ、この干渉縞を受光素子アレイで検出する。方式（４）として、特許文献１０、１１が開示されている。この方式の例を、図１３を用いて説明する。

【0020】

図１３において、レーザーダイオード８１及びレンズ８２により視準されたコヒーレント光が発せられる。そして、波面補正構造８３において、格子により回折された２つの光束８４及び８５が格子８６に入射される。

【0021】

そして、２つの光束が格子８６により回折し、得られた干渉縞を検出器８７にて検出する。

【0022】

方式（４）における構成はシンプルであり、格子の形式への制約や、干渉信号に所定の位相差を与えるために、格子のパラメータを設計する必要もない。さらに、方式（４）は、受光素子のアレイ構造により、受光した光の強度を平均化する効果があるので、仮にスケールの格子の一部に欠陥があっても、特定の干渉信号だけに大きな変化が生じにくい。

【0023】

しかしながら、方式（４）において、適切な信号を検出するためには、干渉縞のピッチと受光素子アレイのピッチの間に強い相関が必要である。この相関のため、何らかの原因で干渉縞に乱れが生じると測定精度が悪化する。例えば、光学素子の形状誤差（図１２の場合、波面補正構造７９）や、スケールに存在する平面うねりなどが干渉縞乱れの原因に相当する。

【0024】

しかも、スケールピッチが微細になるほど、これらの許容が厳しくなるため、本構成は格子干渉型光学式エンコーダには適用しにくい。また検出器８７のアレイピッチを短くする必要があるが、アレイピッチの短い検出器は製造が困難であるという問題もある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0025】

【特許文献1】特開平６−５３２６号公報

【特許文献2】特開平６−５３２７号公報

【特許文献3】特開２００９−２５７８４１号公報

【特許文献4】特開昭６０−２６０８１３号公報

【特許文献5】特開平１−２７６０２０号公報

【特許文献6】特開２００４−６９７０２号公報

【特許文献7】特開平６−２０１３２７号公報

【特許文献8】米国特許第５２１４−２８０号

【特許文献9】特開２００４−２８７７６号公報

【特許文献10】特表平１０−５０１３３４号公報

【特許文献11】特開２００２−３５０１９１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0026】

このように、従来の光学式エンコーダでは、部品数、回折格子の制約、スケール欠陥の影響、微細化のすべての要求を満たすことが難しいという課題があった。

【0027】

本発明は、部品数、回折格子の制約、スケール欠陥の影響、微細化のすべての要求を満たすことができる光学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】

【0028】

本発明の光学式エンコーダは、光源と、光源からの光を分割する分割手段と、受光ユニットと、主面に格子が配置され、光路上に位置し且つ測位方向に移動可能なスケールと、前記分割手段から前記受光ユニットまでの光路上に、分割された光を相異なる位相差で回折する複数の回折格子からなるオフセット回折格子を備え、前記オフセット回折格子は、前記複数の回折格子が前記スケールの主面に平行な一面に配置され、測位方向に直交する方向に互いにオフセットし、前記受光ユニットは、オフセット方向に複数の受光素子を配置することを特徴とする。

【0029】

本発明では、前記分割手段は、第１の無偏光ビームスプリッタであり、光学式エンコーダは、前記スケールから前記受光ユニットまでの光路に第２の無偏光ビームスプリッタを備えることが好ましい。

【0030】

本発明では、前記オフセット回折格子は、前記スケールから前記第２の無偏光ビームスプリッタまでの光路に位置することが好ましい。

【0031】

前記オフセット回折格子は、前記第１の無偏光ビームスプリッタから前記スケールまでの光路に位置することが好ましい。

【0032】

本発明では、前記分割手段は、インデックス格子であることが好ましい。

【0033】

本発明では、前記オフセット回折格子は、前記スケールから、前記受光ユニットへ光を出射する前記インデックス格子の部位までの光路に位置することが好ましい。

【0034】

本発明では、前記オフセット回折格子は、前記光源からの光が入射する前記インデックス格子の部位から前記スケールまでの光路に位置することが好ましい。

【0035】

本発明では、前記スケールが、光を反射することが好ましい。

【0036】

本発明では、前記受光ユニットは、オフセット方向に配置された複数の受光素子を複数列有することが好ましい。

【発明の効果】

【0037】

本発明によれば、部品数、回折格子の制約、スケール欠陥の影響、微細化のすべての要求を満たすことができる光学式エンコーダを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0038】

【図1】実施の形態１に係る光学式エンコーダの光学部分の概略を示す上面図

【図2】実施の形態１に係るオフセット回折格子の構成を示す図

【図3】実施の形態１に係る光学式エンコーダの一部分の概略を示す斜視図

【図4】実施の形態１に係る光学式エンコーダの光学部分の概略を示す上面図

【図5】実施の形態２に係る光学式エンコーダの光学部分の概略を示す上面図

【図6】実施の形態２に係る光学式エンコーダの一部分の概略を示す斜視図

【図7】実施の形態２に係る光学式エンコーダの光学部分の概略を示す上面図

【図8】実施の形態３に係る光学式エンコーダの光学部分の概略を示す斜視図

【図9】従来の光学式エンコーダの構成を示す図

【図10】従来の光学式エンコーダの構成を示す図

【図11】従来の光学式エンコーダの構成を示す図

【図12】従来の光学式エンコーダの構成を示す図

【図13】従来の光学式エンコーダの構成を示す図

【発明を実施するための形態】

【0039】

（実施の形態１）
以下、図面を参照して本発明の実施の形態１に係る光学式エンコーダについて説明する。図１は、実施の形態１に係る光学式エンコーダの光学部分の概略を示す上面図である。

【0040】

図１において、光学式エンコーダ１０は、光源１１と、無偏光ビームスプリッタ１２と、スケール１３と、オフセット回折格子１４と、無偏光ビームスプリッタ１５と、受光ユニット１６−１及び１６−２とを備える。この光学式エンコーダ１０は、検出ヘッド１７を、光源１１と、無偏光ビームスプリッタ１２と、オフセット回折格子１４と、無偏光ビームスプリッタ１５と、受光ユニット１６−１及び１６−２で構成し、スケール１３に沿ってＸ軸方向に相対移動する検出ヘッド１７の変位量を測定する。

【0041】

光源１１は、無偏光ビームスプリッタ１２の方向に光を発する構成である。具体的には、光源１１は、光束を発する構成、例えば、ＬＥＤ（Light Emitting Diode：発光ダイオード）、半導体レーザ、ＳＬＥＤ（Self-Scanning Light Emitting Device：自己走査型発光素子）、ＯＬＥＤ（Organic light-emitting diode：有機発光ダイオード）などを用いることができる。

【0042】

無偏光ビームスプリッタ１２は、光源１１から発せられた光束を、２つの光束に分割する分割手段である。一般には、無偏光ビームスプリッタ１２は、２つの光束が同じ位相でスケール１３に到達するようにする。例えば、無偏光ビームスプリッタ１２は、スケール１３に対して垂直な面に配置され、光源１１からの光束が無偏光ビームスプリッタ１２の主面に対して斜め方向に入射するように、光源１１が配置されることにより、２つの光束が等距離でスケール１３に到達する。

【0043】

スケール１３は、主面に１または複数の回折格子を並列に配置している。そして、スケール１３は、測位方向に対して平行移動が可能である。スケール１３の回折格子のパターンは、直線状の凹凸がマイクロメートルサイズの周期で平行に並んで構成されたものが好適である。また、スケール１３は、光を透過する格子状の光透過部分と、光を透過しない不透過部分を構成できる材料であればいずれも適用することができる。

【0044】

オフセット回折格子１４は、複数の回折格子パターンが、スケール１３の主面に平行な一面に配置されたものであり、分割した光を複数の回折格子パターンでそれぞれ回折する。オフセット回折格子１４は、複数の回折格子パターンを同一平面上に配置し、回折格子パターン間で、測位方向に直交する方向にオフセットを有するので、それぞれの回折格子パターンにおいて回折した光束同士は、異なる位相を有することになる。

【0045】

無偏光ビームスプリッタ１５は、オフセット回折格子１４において回折した光同士を混合して、受光ユニット１６−１及び１６−２に出射する。例えば、無偏光ビームスプリッタ１５は、図２に示すように格子エリア１４−１にて回折した回折光と、格子エリア１４−２にて回折した回折光とが、面対称となる対称面に配置される。

【0046】

図３に示すように受光ユニット１６−１は、オフセット方向に複数の受光素子１６−１１、１６−１２及び１６−１３を配置した構成である。また受光ユニット１６−２は、受光ユニット１６−１と同様にオフセット方向に複数の受光素子１６−２１、１６−２２及び１６−２３を配置した構成である。

【0047】

すなわち、受光ユニット１６−１及び１６−２は、オフセット回折格子１４の個々の回折格子により回折して異なる位相を有する光束同士を混合した光の強度を電気信号に変換することにより、位相差を有する複数の干渉信号を電気信号として得ることができる。

【0048】

なお、受光ユニット１６−１及び１６−２は、フォトダイオード・アレーで構成されることが好適である。また、各受光素子は、受光して電気信号に変換することができる素子であれば、フォトトランジスタ、フォトレジスタ等いずれも適用することができる。

【0049】

次に、本実施の形態の特徴であるオフセット回折格子について説明する。図２は、実施の形態１に係るオフセット回折格子の構成を示す図である。図２において、オフセット回折格子１４は、格子エリア１４−１と格子エリア１４−２を有する。

【0050】

格子エリア１４−１と格子エリア１４−２は、スケール１３の回折格子に対して直交する方向に形成された回折格子を有している。そして、格子エリア１４−１の格子パターンと格子エリア１４−２の格子パターンとは、測位方向に直交する方向、すなわち図２のＹ軸方向にオフセットしている。オフセット量は、各格子エリアで回折する光束の間に位相差が生じるものであればよい。

【0051】

例えば、格子間隔をｐとすると、オフセット量Δｙをｐ／４とすることにより、光束間の位相差が９０°となる。なお、光束間の位相差は０°でなければ良いので、オフセット量が格子間隔の整数倍以外であれば、光束間の位相差は発生することになる。

【0052】

本実施の形態では、オフセット回折格子で光束間の位相差を発生させ、更に立体的な光路を用いて複数の干渉信号を生成することを特徴としている。次に、この干渉信号の生成について説明する。

【0053】

図３は、実施の形態１に係る光学式エンコーダの一部分の概略を示す斜視図であり、図１と同一の構成は、同一の番号を付して説明を省略する。

【0054】

図３では、図１の光学式エンコーダ１０の、オフセット回折格子１４より後段の部分を示している。光源１１の光束は、無偏光ビームスプリッタ１２において、２つの光束に分割される。

【0055】

そして、２つの光束は、スケール１３において、それぞれ＋１次回折または−１次回折されてオフセット回折格子１４に入射する。具体的には、＋１次回折光がオフセット回折格子１４の格子エリア１４−１に入射され、−１次回折光がオフセット回折格子１４の格子エリア１４−２に入射される。

【0056】

ここで、スケール１３での回折後の＋１次回折光を以下の式（１）、−１次回折光を以下の式（２）とする。

【0057】

ｇはスケール１３の格子ピッチ、ｘはスケールの位置を示す。また、Ｕの添え字は回折を示す。例えばＵｘ＋１は、図１〜３のＸ軸（測位）方向の＋１次回折光を意味し、Ｕｘ−１は、図１〜３のＸ軸（測位）方向の−１次回折光を意味する。

【0058】

＋１次回折光は、格子エリア１４−１の格子パターンにより、０次、＋１次、及び−１次の回折光を得る。同様に−１次回折光は、格子エリア１４−２の格子パターンにより、０次、＋１次、及び−１次の回折光を得る。

【0059】

得られた回折光は式（３）〜（８）で表現される。

【0060】

ｇはスケールの格子ピッチ、ｐはオフセット回折格子の格子ピッチ、ｙはオフセット回折格子の位置を示す。また、Ｕの添え字は回折を示す。例えばＵｙ＋１は、図１〜３のＹ軸方向の＋１次回折光を意味し、Ｕｙ−１は、図１〜３のＹ軸方向の−１次回折光を意味する。

【0061】

例えば、Ｕｘ＋１，ｙ＋１は、スケール１３において、＋１次回折し、オフセット回折格子１４において、＋１次回折した光を意味する。

【0062】

また、Δｙは前述したようにオフセット回折格子１４における格子エリア間のＹ軸方向のオフセット量を示す。すなわち、格子エリア１４−２を基準として格子エリア１４−１がＹ軸方向にΔｙのオフセットを有する場合、式（３）、（７）に示すように、格子エリア１４−１において、＋１次回折および−１次回折した光にオフセット量Δｙによる位相シフトが発生する。なお、格子エリア１４−１の０次回折光は、直進であって回折ではないので、式（５）に示すように、オフセット量Δｙによる位相シフトは発生しない。

【0063】

そして、式（４）、（６）、（８）に示すように、格子エリア１４−２において、＋１次回折、−１次回折、及び０次回折光は、いずれもオフセット量Δｙによる位相シフトは発生しない。

【0064】

このように本実施の形態のエンコーダでは、測位方向に直交する方向にオフセットを有する格子エリア間で、回折光にオフセット量Δｙによる位相シフトが発生するので、波長板や偏光板を用いる必要がない。

【0065】

また、オフセット回折格子にとって原理上重要なのはオフセット量Δｙのみであり、格子の形式への制約や、干渉信号に所定の位相差を与えるための格子パラメータ設計は必要ない。

【0066】

さらに本構成では、ＵＸ＋１とＵＸ−１の混合波という同一の光波を、オフセット回折格子１４で分割した干渉波から、位相差を有する複数の干渉信号を得ている。そのため、スケール欠陥の影響はすべての信号に共通に発生し、特定の干渉信号だけに変化が生じることはない。

【0067】

次に、オフセット格子で回折した後に、無偏光ビームスプリッタにより混合する干渉光について説明する。

【0068】

格子エリア１４−１にて回折した各回折光と、格子エリア１４−２にて回折した各回折光とは、無偏光ビームスプリッタ１５において混合して干渉光となる。具体的には、格子エリア１４−１において＋１次回折した光と、格子エリア１４−２において＋１次回折した光とが混合する。そして、格子エリア１４−１において０次回折した光と、格子エリア１４−２において０次回折した光とが混合する。また格子エリア１４−１において−１次回折した光と、格子エリア１４−２において−１次回折した光とが混合する。

【0069】

それぞれ混合した光の強度は、受光ユニット１６−１及び１６−２の各受光素子において電気信号に変換される。具体的には、図３では、受光素子１６−１１及び１６−２１は格子エリア１４−１及び格子エリア１４−２において＋１次回折した光の混合した干渉光を受光する。そして、受光素子１６−１２及び１６−２２は格子エリア１４−１及び格子エリア１４−２において０次回折した光の混合した干渉光を受光する。また、受光素子１６−１３及び１６−２３は格子エリア１４−１及び格子エリア１４−２において−１次回折した光の混合した干渉光を受光する。

【0070】

ここで、受光素子１６−１１が受光した干渉光の強度をＩ_Ａ１、受光素子１６−１２が受光した干渉光の強度をＩ_Ａ２、受光素子１６−１３が受光した干渉光の強度をＩ_Ａ３とし、同様に受光素子１６−２１が受光した干渉光の強度をＩ_Ｂ１、受光素子１６−２２が受光した干渉光の強度をＩ_Ｂ２、受光素子１６−２３が受光した干渉光の強度をＩ_Ｂ３とすると、各干渉光の強度は、以下の式（９）、（１０）、（１１）で示される。

【0071】

式（１０）に示すように、０次回折光同士の干渉光は、オフセット回折格子のオフセット量Δｙによる位相シフトがない。一方、式（９）、（１１）に示すように１次回折光同士の干渉光は、オフセット回折格子のオフセット量Δｙによる位相シフトがある。

【0072】

このように、本実施の形態の光学式エンコーダは、位相シフトのない干渉光と、位相シフトのある干渉光とを得ることができる。

【0073】

この位相シフトの大きさは、オフセット回折格子における回折格子間のオフセット量Δｙで決定することができる。

【0074】

例えば、Δｙ＝ｐ／８とすれば、Ｉ_Ａ１とＩ_Ａ３の間に９０°の差が生じるので、従来技術と同じようなＡ相・Ｂ相が出力できる。この場合、Ｉ_Ａ２は必要ない。また、Δｙ＝ｐ／４とすれば、Ｉ_Ａ１とＩ_Ａ２の間に９０°の差が生じるので、従来技術と同じようなＡ相・Ｂ相が出力できる。この場合、Ｉ_Ａ３は必要ない。

【0075】

また、好適な信号処理方法としては、Δｙ＝ｐ／３にすることにより、Ｉ_Ａ１、Ｉ_Ａ２、Ｉ_Ａ３の干渉信号間に１２０度ずつの位相差を生じさせ、公知の方法により９０°位相差の差動信号に変換してもよい。

【0076】

そして、これらの干渉信号からスケール１３の移動に伴う変位ｘの変化量を求める。これらの干渉信号の処理は、アナログまたはデジタルの電気信号の演算処理により実現することができる。

【0077】

電気信号に変換した後の演算処理は、エンコーダの内部または外部にＣＰＵ（Central Processing Unit）やＡＳＩＣ（application specific integrated circuit）を設け、所定の演算処理を実行させることにより実現することができる。また外部にコンピュータを接続して、ソフトウェアとして演算処理を実現しても良い。

【0078】

このように、実施の形態１の光学式エンコーダは、複数の回折格子を、測位方向に直交する方向に、互いにオフセットさせ、オフセット方向で個々に測光することにより、波長板や偏光板を用いずに、位相差を有する複数の干渉信号を得ることができる。

【0079】

また、実施の形態１の光学式エンコーダは、回折格子が測位方向に直交する方向にオフセットを設定する以外の制約がないので、微細化も容易にできる。また実施の形態１の光学式エンコーダは、スケールの欠陥は複数の干渉信号すべてに同じく影響するので、スケール欠陥の影響によって干渉信号間にばらつきが発生することはない。

【0080】

なお、オフセット回折格子を配置する位置は、分割した各光束の光路上であればどの位置であっても良い。本実施の形態の場合、無偏光ビームスプリッタ１２から無偏光ビームスプリッタ１５までの間の光路がオフセット回折格子を配置する位置に該当する。

【0081】

図１の光学式エンコーダでは、スケール１３と無偏光ビームスプリッタ１５との間の光路上にオフセット回折格子１４を配置しているが、図４に示すように、無偏光ビームスプリッタ１２とスケール１３との間の光路上にオフセット回折格子１４を配置しても良い。

【0082】

（実施の形態２）
実施の形態２では、光の分割にインデックス格子を用いる例について説明する。図５は、実施の形態２に係る光学式エンコーダの光学部分の概略を示す上面図である。図５において、図１と同一の構成については同一の番号を付し、説明を省略する。

【0083】

図５において、光学式エンコーダ２０は、光源１１と、インデックス格子２１と、スケール１３と、オフセット回折格子１４と、インデックス格子２２と、受光ユニット１６−１及び１６−２とを備える。

【0084】

インデックス格子２１は、光源１１から発せられた光束を２つに分割する。一般には、インデックス格子２１は、分割した２つの光束が同じ位相でスケール１３に到達するようにする。例えば、インデックス格子２１の主面が、スケール１３の主面に対して平行に配置され、光源１１からの光束がインデックス格子２１の主面に対して斜め方向に入射するように、光源１１が配置されることにより、分割した２つの光束が等距離でスケール１３に到達する。

【0085】

インデックス格子２２は、オフセット回折格子１４において回折した光同士を混合して、受光ユニット１６−１及び１６−２に出射する。例えば、インデックス格子２２の主面が、スケール１３の主面に対して平行に配置される。

【0086】

光及び電気信号の処理は、実施の形態１の無偏光ビームスプリッタ１２がインデックス格子２１に置き換わり、無偏光ビームスプリッタ１５がインデックス格子２２に置き換わっている点を除いて、実施の形態１と同様の処理を行う。

【0087】

図５に記載された光学式エンコーダ２０は、実施の形態１の光学式エンコーダと同様に受光ユニット１６−１及び１６−２に複数の受光素子を備える。図６は、実施の形態２に係る光学式エンコーダの一部分の概略を示す斜視図である。

【0088】

受光ユニット１６−１は、オフセット方向に複数の受光素子１６−１１、１６−１２、１６−１３を配置した構成である。また受光ユニット１６−２は、受光ユニット１６−１と同様にオフセット方向に複数の受光素子１６−２１、１６−２２、１６−２３を配置した構成である

【0089】

図６に示すように、受光素子１６−１１及び１６−２１は、インデックス格子２２において、＋１次回折した光同士を混合した干渉光を受光する。同様に、受光素子１６−１２及び１６−２２は、インデックス格子２２において、０次回折した光同士を混合した干渉光を受光する。受光素子１６−１３及び１６−２３は、インデックス格子２２において、−１次回折した光同士を混合した干渉光を受光する。

【0090】

そして、受光素子１６−１１〜１６−２３は、それぞれ光の強度を電気信号に変換する。干渉光の位相については実施の形態１と同様に、０次回折光同士の干渉光は、オフセット回折格子のオフセット量Δｙによる位相シフトがない。一方、１次回折光同士の干渉光は、オフセット回折格子のオフセット量Δｙによる位相シフトがある。

【0091】

このように、実施の形態２の光学式エンコーダによれば、測位方向に直交する方向にオフセットを有する格子エリア間で、回折光にオフセット量Δｙによる位相シフトが発生するので、インデックス格子を位相格子に限定する必要がなく、また干渉信号に所定の位相差を与えるための格子パラメータを設計する必要もなく、回折格子の設計上の制約がない。

【0092】

なお、インデックス格子２１及び２２は、光を分割できる構成であればいずれも適用可能であり、スリットを形成した格子等の振幅格子も適用可能である。

【0093】

また、オフセット回折格子を配置する位置は、分割した光の光路上であればどの位置であっても良い。本実施の形態の場合、インデックス格子２１からインデックス格子２２までの間の光路がオフセット回折格子１４を配置する位置に該当する。図５の光学式エンコーダでは、スケール１３とインデックス格子２２との間の光路上にオフセット回折格子１４を配置しているが、図７に示すように、インデックス格子２１とスケール１３との間の光路上にオフセット回折格子１４を配置してもよい。

【0094】

（実施の形態３）
また、実施の形態２の光学式エンコーダ２０は、インデックス格子２１とインデックス格子２２とを共通の構成とすることもできる。図８は、実施の形態３に係る反射型の光学式エンコーダの光学部分の概略を示す斜視図である。図８において、光学式エンコーダ３０は、光源１１と、ガラス基板３１と、インデックス格子３２と、スケール３３と、オフセット回折格子１４−１、１４−２と、受光ユニット１６−１１〜１６−２３とを備える。

【0095】

ガラス基板３１は、平行な２つの表面を有するガラス基板であり、一面にインデックス格子３２を形成し、他の一面にオフセット回折格子１４−１、１４−２を形成する。またガラス基板３１は、光源１１から入射した光を透過する材料で構成されている。

【0096】

インデックス格子３２は、図５のインデックス格子２１とインデックス格子２２とに対応する構成であり、光源１１から発せられた光束を２つに分割し、また格子エリア１４−１、１４−２からなるオフセット回折格子において回折した光同士を混合して、受光ユニット１６−１及び１６−２に出射する。

【0097】

スケール３３は、反射タイプのスケールであり、スチール等の光を反射する素材の表面に格子パターンを形成したものである。スケール３３はＸ軸方向に変位し、光学式エンコーダ３０は、Ｘ軸方向の変位量を測定する。

【0098】

オフセット回折格子１４−１、１４−２は、図１または図５のオフセット回折格子１４に対応する構成である。

【0099】

この光学式エンコーダ３０では、光源１１から入射した光はインデックス格子３２において２つの光束に分割され、ガラス基板３１を透過してスケール３３にて反射する。そして、反射した光は、オフセット回折格子１４−１、１４−２にて回折し、再びガラス基板３１を透過してインデックス格子３２に到達する。そしてインデックス格子３２において、回折した光同士が混合され、受光ユニット１６−１１〜１６−２３において干渉光が測定される。

【0100】

このように、実施の形態３の光学式エンコーダによれば、ガラス基板の一表面にインデックス格子を形成し、測位方向に直交する方向にオフセットを有する回折格子をガラス基板の裏面に形成することにより、更に少ない部品点数でシンプルな検出部位を実現できる。

【0101】

なお、上記実施の形態では、オフセット回折格子において、２つの格子間でオフセットする構成を説明しているが、３つ以上の格子間でオフセットする構成としても良い。この場合、オフセット回折格子の主面に位置し、且つ測位方向に対して直交する方向にオフセットする構成であればいずれでも良い。例えば、３つの格子間において、２π／３ずつ位相をずらして３相の光学系を形成してもよい。すなわち、格子間で、格子幅の１／３だけ測位方向に対して直交する方向にオフセットする。

【0102】

また、各格子及びスケールは、不透明部と光透過部を構成する素材の組み合わせであればいずれも適用できる。すなわち、不透明ガラスに格子形状の孔を形成して光透過部としても良いし、透明ガラスの一部を遮蔽して不透明部を形成しても良い。またガラス以外の材料についても同様に適用できる。

【0103】

また、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、本発明の光学式エンコーダは、リニアエンコーダに限定されるものではなく、ロータリーエンコーダにも適用することができる。

【符号の説明】

【0104】

１０、２０、３０ 光学式エンコーダ
１１ 光源
１２、１５ 無偏光ビームスプリッタ
１３、３３ スケール
１４ オフセット回折格子
１４−１、１４−２ 格子エリア
１６ 受光ユニット
１６−１１〜１６−２３ 受光素子
１７ 検出ヘッド
２１、２２、３２ インデックス格子
３１ ガラス基板

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】