JP4427540B2 - 光学式エンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、格子間の相対移動量を光学的に検出できる光学式エンコーダに関する。

下記の非特許文献１には、３枚の格子を用いた光学式エンコーダにおけるグレーティングイメージ（三格子法）の理論が提案されている。この理論によると、空間的にインコヒーレントな光源を用い、光進行方向に沿って順に第１格子、第２格子、第３格子を並べて、特定の条件を整えてやれば、第１格子に含まれる所定の空間周波数成分を、所定のＯＴＦ（光学伝達関数:Optical Transfer Function）で第３格子上に結像することができる。ここで特定の条件とは、第２格子の形状と、第１格子から第２格子までの距離と、第２格子から第３格子までの距離などのパラメータで決まるもので、これらのパラメータによって第１格子に含まれる各々の空間周波数成分の、第３格子までのＯＴＦが決定される。

ここで、グレーティングイメージ（三格子法）の理論におけるそれぞれ３つの格子の作用は、次のようになる。１）第１格子：入射面での空間周波数分布を決定する。２）第２格子：透過率変調又は位相変調による第２格子の形状と、第１格子から第２格子までの距離、第２格子から第３格子までの距離などにより、第１格子から第３格子までの、空間周波数毎のＯＴＦが決定される。３）第３格子：結像された強度分布より、所望の成分のみを透過させ、いわゆるインデックススリットの役割を担う。

一方、下記の特許文献１には、グレーティングイメージ（三格子法）の理論を応用した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では、第１格子を光透過性の格子で構成している。この第１格子は、格子素子を透過する際の光の位相差に基づく光干渉によって明暗パターンを形成しており、第１格子で遮断される光が減少する。その結果、より多量の光を受光素子まで送り込むことが可能となる。

特開平１０−２７６１号公報（図３） K. Hane and C. P. Grover, "Imaging with rectangular transmission gratings," J.Opt.Soc.Am.A4 706-711, 1987

特許文献１に記載されている光電式エンコーダは、第２の格子として不透明部と透明部を交互に配置した格子を用いているため、グレーティングイメージ（三格子法）の理論におけるＯＴＦが下がる。また、光透過性の第１格子を拡散光源で照射し、光の位相差による光干渉を利用して明暗パターンを形成しているため、入射面における強度分布のコントラスト、即ち、強度分布に含まれる空間周波数成分のコントラストが低下する。

本発明の目的は、光源から受光素子までのＯＴＦが向上し、光の利用効率を格段に改善できる光学式エンコーダを提供することである。

本発明に係る光学式エンコーダは、空間的インコヒーレントな光源と、第１の格子ピッチを有する振幅格子で構成され、光源からの光を空間的に振幅変調するための第１格子と、第２の格子ピッチを有する位相格子で構成され、第１格子からの光を空間的に位相変調するための第２格子と、第３の格子ピッチを有する振幅格子で構成され、第２格子からの光を空間的に振幅変調するための第３格子と、第３格子からの光を受光するための受光素子とを備え、各々の格子間の相対移動量を検出する。光の波長をλとして、第２の格子の山部と谷部にて発生する光路長差が実質的にλ／２であり、第１の格子ピッチ、第２の格子ピッチおよび第３の格子ピッチは同じピッチＰであり、第１格子と第２格子との間の第１距離および第２格子と第３格子との間の第２距離が、実質的にＰ ^２ ／（４×λ）の奇数倍に設定されていることが好ましい。

本発明において、第２の格子の山部と谷部にて発生する光路長差が実質的にλ／４であり、第２の格子ピッチはＰであり、第１の格子ピッチおよび第３の格子ピッチは同じピッチ２Ｐであり、第１格子と第２格子との間の第１距離および第２格子と第３格子との間の第２距離が、実質的にＰ ^２ ／λの奇数倍に設定されていることが好ましい。

また本発明において、第１格子と第２格子との間の第１距離は、第２格子と第３格子との間の第２距離と異なり、第１距離と第２距離の比率は、第１格子のピッチと第３格子のピッチとの比率と実質的に一致していることが好ましい。

また本発明において、第２格子は、山部と谷部にて発生する光路長差が実質的にλ／２に設定されていることが好ましい。

また本発明において、山部と谷部にて発生する光路長差が実質的にλ／４に設定されていることが好ましい。

また本発明において、第２格子は、デューティ比が実質的に５０％である凹凸形状を有することが好ましい。

また本発明において、第２格子は、光路長差が実質的に正弦波状に変化している位相格子で構成されていることが好ましい。

また本発明において、第１格子、第２格子および第３格子は、ロータリー型のスケールであることが好ましい。

また本発明において、第１格子は、透過率の空間分布が正弦波状に変化していること
が好ましい。

また本発明において、複数の受光素子が第３の格子ピッチで離散的に配置されて、第３格子および受光素子が一体的に形成されていることが好ましい。

本発明によれば、第２格子として位相格子を採用することによって、グレーティングイメージ（三格子法）の理論におけるＯＴＦを向上でき、光の利用効率を格段に改善できる。

本発明の実施の形態１を示す構成図である。 第１格子の格子パターンの一例を示す平面図である。 第２格子の格子パターンの一例を示す部分断面図である。 第２格子の光路長差がλ／２で、Ｚ１＝Ｚ２の場合のＯＴＦと格子間距離との関係の一例を示すグラフである。 図５Ａおよび図５Ｂは、第２格子として位相格子を用いた例を示し、図５Ａは受光素子の出力信号の一例を示すグラフであり、図５Ｂは該出力信号の歪み成分を示すグラフである。 図６Ａおよび図６Ｂは、第２格子として振幅格子を用いた比較例を示し、図６Ａは受光素子の出力信号の一例を示すグラフであり、図６Ｂは該出力信号の歪み成分を示すグラフである。 図７Ａおよび図７Ｂは、本発明の実施の形態２に従って光学距離Ｚ１，Ｚ２を変えた例を示し、図７Ａは受光素子の出力信号の一例を示すグラフであり、図７Ｂは該出力信号の歪み成分を示すグラフである。 本発明の実施の形態３に係る第１格子の格子パターンの他の例を示す部分平面図である。 図９Ａおよび図９Ｂは、図８に示す第１格子を用いた例を示し、図９Ａは受光素子１７の出力信号の一例を示すグラフであり、図９Ｂは該出力信号の歪み成分を示すグラフである。 第２格子の光路長差がλ／４で、Ｚ１＝Ｚ２の場合のＯＴＦの計算結果を示すグラフである。 Ｎ＝２の条件下で、第２格子の光路長差（位相差θ）を変えた場合のＯＴＦの計算結果を示すグラフである。 本発明の実施の形態７を示す構成図である。 距離Ｚ１を固定し、距離Ｚ２を０〜２Ｔの範囲で変化させた場合に、Ｎ＝２、光路長差λ／２の条件におけるＯＴＦの計算結果を示すグラフである。 結像条件下での距離Ｚ１，Ｚ２とピッチＰ１，Ｐ３の関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態８を示す構成図である。 本発明の実施の形態９を示す構成図である。 本発明の実施の形態１０を示す構成図である。 本発明の実施の形態１１を示す構成図である。

符号の説明

１１ 光源、 １２ 第１格子、 １３，１５ 基板、 １４ 第２格子、 １６ 第３格子、 １７ 受光素子、 ２１，７１ 透過部、 ２２，７２ 非透過部。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１を示す構成図である。光学式エンコーダは、光進行方向に沿って、光源１１と、第１格子１２と、第２格子１４と、第３格子１６と、受光素子１７を構成要素として含む。

光源１１は、ＬＥＤなど空間的にインコヒーレントな光源で構成され、中心波長λの空間的にインコヒーレントな光を放射する。

第１格子１２は、透明な基板１３上に金属薄膜などのパターニングによって形成され、格子ピッチＰ１を有する振幅格子を構成して、光源からの光を空間的に振幅変調している。図２の平面図に示すように、格子ピッチＰ１の半分（＝（Ｐ１）／２）ごとに透過部２１と非透過部２２を交互に配置して、デューティ比５０％の振幅格子を形成することが好ましい。

第２格子１４は、透明な基板１５の表面に周期的な凹凸加工を施すことによって形成され、格子ピッチＰ２を有する位相格子を構成して、第１格子１２からの光を空間的に位相変調している。図３の断面図に示すように、格子ピッチＰ２の半分（＝（Ｐ２）／２）ごとに山部と谷部を交互に配置して、デューティ比５０％の位相格子を形成することが好ましい。また、山部と谷部の光路長差は、光の波長をλとして、λ／２（位相差π）に設定することが好ましい。これにより谷部を通過する光と山部を通過する光の位相差がπに維持されるため、グレーティングイメージ（三格子法）の理論におけるＯＴＦを最大に設定できる。

第３格子１６は、格子ピッチＰ３を有する振幅格子を構成して、第２格子１４からの光を空間的に振幅変調している。図２に示した第１格子１２と同様に、格子ピッチＰ３の半分（＝（Ｐ３）／２）ごとに透過部と非透過部を交互に配置して、デューティ比５０％の振幅格子を形成することが好ましい。

受光素子１７は、フォトダイオード等で形成され、第３格子１６を通過した光を電気信号に変換する。ここでは、第３格子１６が受光素子１７の受光面に一体的に設けられている。

第１格子１２はハウジングなどに、また第３格子１６は受光素子などに固定されており、一方、第２格子１４は、光進行方向に交差するｘ方向に沿って移動可能に支持されている。

第１格子１２から第２格子１４までの光学距離をＺ１、第２格子１４から第３格子１６までの光学距離をＺ２とする。一例として、Ｐ１とＰ２とＰ３が等しく、かつＺ１＝Ｚ２において、第１格子１２に含まれる空間周波数成分が第３格子１６上に結像される条件を満たす場合、第２格子１４が格子ピッチＰ２の半周期（＝（Ｐ２）／２）だけ移動すると、第３格子１６上の光強度分布が一周期分移動する。そこで、第３格子１６からの透過光を受光素子１７で光電変換し、その信号強度の変化をカウントすることによって、第２格子１４の相対移動量を検出することができる。

次に、グレーティングイメージ（三格子法）の理論に基づいた、第１格子１２に含まれる空間周波数成分が第３格子１６上に結像される条件の設計法について説明する。図１の構成例において、第３格子１６上に結蔵される像の周波数特性およびそのコントラストは、ＯＴＦ（光学伝達関数:Optical Transfer Function）を求めることにより知ることができる。ＯＴＦは、インパルス応答ｈの二乗のフーリエ変換で表現できることが知られており、下記の式（１）で表される。

ここで、σ３（＝１／Ｐ３）は、第３格子１６上に結像される空間周波数、ｘ１、ｘ３は、図１における第１格子１２と第３格子１６のｘ座標をそれぞれ示す。

このＯＴＦを、第２格子１４の形状が、光路長差λ／２（位相差π）およびデューティ比５０％の凹凸形状で、かつＺ１＝Ｚ２の場合について計算すると、図４に示す結果が得られる。

図４において、縦軸は相対出力をＤＣ成分で規格化したもの（ＯＴＦ）であり、横軸は距離Ｚ（＝Ｚ１＝Ｚ２）を、波長λと第２格子１４のピッチＰ２で決定されるタルボット位置Ｔ（＝（Ｐ２）^２／λ）で規格化したものである。図４の中のＮは、下記式（２）で定義される結像条件のパラメータＮに対応する。

このＮが整数となった時のみ、第１格子１２に含まれる空間周波数が所定のＯＴＦで第３格子１６上に結像される。例えば、Ｎ＝２の場合、Ｚ１とＺ２の距離がＴ／４の奇数倍の時に、約０．６のＯＴＦでもって第３格子１６上に像が結蔵される。このＯＴＦは、第２格子１４として振幅格子を用いた場合について非特許文献１に記載してあるＯＴＦ値の２倍に相当する。

従って、設計時のＰ１，Ｐ２、Ｐ３およびＺ１、Ｚ２やλなどのパラメータ選定は、上記式（２）のパラメータＮに対応した結像条件と図４のＯＴＦを満足するように、あらゆる組合せが可能となる。

一例として、Ｐ１＝Ｐ２＝Ｐ３でＺ１＝Ｚ２であるＮ＝２の場合について、具体的に説明する。光源１１の波長λ＝８５０ｎｍ、第１格子１２の格子ピッチＰ１＝６４．７μｍ、第２格子１４の格子ピッチＰ２＝６４．７μｍ、第３格子１６の格子ピッチＰ３＝６４．７μｍとし、Ｚ１＝Ｚ２＝１２３０μｍとした場合（Ｎ＝２）、受光素子１７の出力信号を図５Ａに示す。縦軸は信号強度（任意単位）を示し、横軸は第２格子１４の位置（任意単位）を示す。ここで、Ｚ１＝Ｚ２＝１２３０μｍは、Ｔ／４となる距離であり、図４より、Ｎ＝２の条件下においてＯＴＦが最大となる位置である。なお、図５Ｂは、位相検出の際の誤差要因となる該出力信号の歪み成分を示すグラフである。

比較例として、第１格子１２と第３格子１６、光学距離Ｚ１，Ｚ２、および波長λが同じ条件であるが、第２格子１４として振幅格子を用いた場合の、受光素子１７の出力信号を図６Ａに示す。縦軸は信号強度（任意単位）を示し、横軸は第２格子１４の位置（任意単位）を示す。ここで、この振幅格子は格子ピッチＰ２（＝６４．７μｍ）で、（Ｐ２）／２ごとに（デューティ比：５０％）透過部と非透過部が交互に配置されている。なお、図６Ｂは、該出力信号の歪み成分を示すグラフである。

図５Ａと図６Ａを比較すると、両者とも第２格子１４のピッチＰ２の半分である３２．３５μｍピッチの出力信号が見られるが、信号のコントラストに関して、図６Ａが１７％であるのに比べて、図５Ａでは３８％という良好な波形を示している。なお、受光素子の出力結果から計算できる第３格子１６上の強度分布のコントラストは、第３格子１６のデューティ比が５０％であることから、図５Ａの場合、約６０％となり、図４に示すＯＴＦの演算結果とほぼ一致している。

このように第２格子１４として位相格子を採用することによって、振幅格子と比べてＯＴＦが二倍に改善し、受光素子からの出力信号のコントラストを向上させることができる。また位相格子では、透過部と非透過部をデューティ比５０％で繰り返す振幅格子に比べ、透過光量が２倍となることから、光源からの出射光量の利用効率も向上させることができる。

ここでは、光学距離Ｚ１，Ｚ２をＴ／４＝１２３０μｍに設定した例を示したが、３つの格子ピッチＰ１，Ｐ２，Ｐ３が等しい場合にＯＴＦが最大となる条件は、図４の結果より、光学距離Ｚ１，Ｚ２がＴ／４の奇数倍に設定した場合である。従って、上記の例において、光学距離Ｚ１，Ｚ２をＴ／４の奇数倍に設定した場合も同様の結果が得られる。また、Ｚ１とＺ２をＴ／４の奇数倍以外に設定した場合でも、出射光量の利用効率の向上と、図４に示すようにコントラスト向上の効果が得られる。

実施の形態２．
本実施形態は、実施の形態１と同様な構成を有し、光学式エンコーダは、光進行方向に沿って、光源１１と、第１格子１２と、第２格子１４と、第３格子１６と、受光素子１７などで構成されるが、光学距離Ｚ１，Ｚ２が実施の形態１と比べて相違している。

即ち、実施の形態１では、Ｎ＝２の条件下において光学距離Ｚ１，Ｚ２をそれぞれ１２３０μｍあるいはその奇数倍に設定しているが、本実施形態では、Ｎ＝２の条件下において光学距離Ｚ１，Ｚ２をそれぞれ１０５０μｍに設定している。

図７Ａは、本実施形態における受光素子１７の出力信号を示すグラフであり、図７Ｂは、該出力信号の歪み成分を示すグラフである。横軸はいずれも第２格子１４の位置（任意単位）を示す。図７Ａの縦軸は信号強度（任意単位）を示す。図７Ｂの縦軸は歪み成分を示し、これは出力信号と理想的な正弦波形とのずれ量をピーク−ピーク(peak-to-peak)値で規格化したものである。

図７Ｂを見ると、測定時の光の強度分布変動によるオフセットの変動が多少見られるが、図５Ｂおよび図６Ｂに示した位相格子および振幅格子を用いた場合の歪み成分と比較して、３次の高調波成分を低減できることが判る。

また、信号のコントラストに関して、図７Ａは３６％という良好な波形を示しており、図５Ａとほぼ同程度のコントラストを実現できることが判る。

ここで、３次の高調波成分を低減できる理由について説明する。上述の例において、第１格子１２として、格子ピッチＰ１、デューティ比＝５０％の矩形波状の透過率分布を有する振幅格子を用いている。この透過率分布をフーリエ級数を用いて空間周波数に分解すると、格子ピッチＰ１の基本周波数成分、周波数が３倍の３次周波数成分、周波数が５倍の５次周波数成分・・・、というように基本周波数成分と奇数次の高調波成分の合成となる。

グレーティングイメージ（三格子法）の理論では、空間周波数成分ごとにＯＴＦが存在するため、結像条件によっては第１格子に含まれる高調波成分も、第３格子上に結像される。

実施の形態１と実施の形態２における相違点は、格子間の光学距離を変えることで高調波成分のＯＴＦを変化させた点にある。即ち、実施の形態１では、高調波成分のＯＴＦは０ではないが基本周波数成分のＯＴＦが最大となるように調整しているのに対して、実施の形態２では、基本周波数成分のＯＴＦは若干低下するものの、高調波成分のＯＴＦを限りなく０に近づけて、信号歪み成分を抑制している。

このようにグレーティングイメージ（三格子法）の理論を用いて光学距離Ｚ１，Ｚ２を適切に調節することで、第１格子１２として図２に示すような矩形波状の透過率分布を有する振幅格子を用いた場合でも、出力波形に含まれる歪み成分を格段に低減できる。

ここでは、Ｚ１とＺ２を１０５０μｍに設定した例を示したが、これ以外の条件でも、不要の周波数成分を抑制することが可能であり、同様の効果が得られる。

実施の形態３．
本実施形態は、実施の形態１と同様な構成を有し、光学式エンコーダは、光進行方向に沿って、光源１１と、第１格子１２と、第２格子１４と、第３格子１６と、受光素子１７などで構成されるが、第１格子１２の透過率分布が実施の形態１と比べて相違している。

即ち、実施の形態１および実施の形態２では、第１格子１２として、格子ピッチＰ１、デューティ比＝５０％の矩形波状の透過率分布を有する振幅格子を用いているが、本実施形態では、格子ピッチＰ１で正弦波状の透過率分布を有する振幅格子を用いている

図８は、第１格子１２の他の例を示す部分平面図である。第１格子１２は、基本空間周波数である格子ピッチＰ１の正弦波状の空間形状を有する格子が複数配列して構成される。格子の非透過部３２は、互いに逆相の２つの正弦波の間で規定されており、透過部３１の開口幅はｘ方向に沿って正弦波状に変化している。こうした第１格子１２に所定面積の光束が入射すると、正弦波状に空間振幅変調され、正弦波状の光強度分布を有する光が生成される。

第２格子１４は、上述の実施形態と同様に、格子ピッチＰ２の半分（＝（Ｐ２）／２）ごとに山部と谷部を交互に配置した、デューティ比５０％の位相格子であり、第１格子１２からの光を空間的に位相変調している。

第３格子１６は、上述の実施形態と同様に、格子ピッチＰ３の半分（＝（Ｐ３）／２）ごとに透過部と非透過部を交互に配置した、デューティ比５０％の振幅格子であり、第２格子１４からの光を空間的に振幅変調している。

一例としてλ＝８５０ｎｍ、第１格子１２の格子ピッチＰ１＝６４．７μｍ、第２格子１４の格子ピッチＰ２＝６４．７μｍ、第３格子１６の格子ピッチＰ３＝６４．７μｍとし、Ｚ１＝Ｚ２＝１２３０μｍとした場合（Ｎ＝２におけるＯＴＦが最大となる位置）、受光素子１７の出力信号を図９Ａに示す。縦軸は信号強度（任意単位）を示し、横軸は第２格子１４の位置（任意単位）を示す。なお、図９Ｂは、該出力信号の歪み成分を示すグラフである。

これらのグラフを見ると、信号のコントラストは２７％であり、第１格子１２として矩形開口を用いた場合と比べて若干低下しているが、３次の高調波成分などの歪み成分は発生していない。

ここで、第１格子１２の透過率が基本空間周波数で正弦波状に変化すると歪み成分が発生しない理由について説明する。グレーティングイメージ（三格子法）の理論によると、第３格子上の空間周波数成分のコントラストは、第１格子の各空間周波数成分と、第２格子や光学距離Ｚ１，Ｚ２などによるＯＴＦで決定される。換言すると、入射面での空間周波数分布を決定する第１格子として、高次の成分を含まない格子、即ち、基本空間周波数で透過率が正弦波状に変化する格子を配置した場合、光学距離Ｚ１，Ｚ２の誤差などに起因して高調波成分のＯＴＦがどのように変化しようとも、第３格子上には必ず基本空間周波数のみが結像される。

従って、第１格子として正弦波状の透過率分布を有する振幅格子を用いることによって、原理上、高調波成分は発生しなくなるため、Ｚ１やＺ２の格子間距離に変動が発生しても、信号コントラストはわずかに変動するが、基本空間周波数以外の高調波成分、即ち、歪み成分の無い出力信号が得られる。

なお、本実施形態では、図８に示すように第１格子１２として正弦波状の格子を３個並べた例を示したが、透過部３１を構成する格子数は１個でも２個でもよく、あるいは４個以上でも構わない。

実施の形態４．
本実施形態は、実施の形態１と同様な構成を有し、光学式エンコーダは、光進行方向に沿って、光源１１と、第１格子１２と、第２格子１４と、第３格子１６と、受光素子１７などで構成されるが、第２格子１４の凹凸高さが実施の形態１と比べて相違している。

即ち、実施の形態１では、第２格子１４の山部と谷部の光路長差をλ／２（位相差π）に設定しているが、本実施形態では、第２格子１４の山部と谷部の光路長差をλ／４（位相差π／２）に設定している。なお、山部と谷部は、格子ピッチＰ２の半分（＝（Ｐ２）／２）ごとに交互に配置して、デューティ比５０％の位相格子を形成している点は同様である。

第２格子１４の光路長差がλ／４で、Ｚ１＝Ｚ２の場合のＯＴＦの計算結果を図１０に示す。図１０において、縦軸は相対出力をＤＣ成分で規格化したもの（ＯＴＦ）であり、横軸は距離Ｚ（＝Ｚ１＝Ｚ２）を、波長λと第２格子１４のピッチＰ２で決定されるタルボット位置Ｔ（＝（Ｐ２）^２／λ）で規格化したものである。第１格子１２に含まれる空間周波数が所定のＯＴＦで第３格子１６上に結像するには、図１０のＯＴＦの計算結果と、前述のＮの結像条件を満足する組み合わせであればどれでも良く、各格子のピッチや距離Ｚなど、あらゆる組み合わせが可能となる。

一例としてＮ＝１の場合について述べると、結像条件の式よりＰ３がＰ２の２倍となり、かつＺ１とＺ２の距離がＴの奇数倍であれば、約０．６のＯＴＦで第三格子上に像が結蔵される。この時のＰ１はＰ３と等しくなる。ここで得られた約０．６のＯＴＦは、図４に示すＯＴＦ最大値と同等なものとなる。

実施の形態５．
本実施形態は、実施の形態１と同様な構成を有し、光学式エンコーダは、光進行方向に沿って、光源１１と、第１格子１２と、第２格子１４と、第３格子１６と、受光素子１７などで構成されるが、第２格子１４の凹凸高さが実施の形態１および実施の形態４と比べて相違している。

即ち、実施の形態１では、第２格子１４の山部と谷部の光路長差をλ／２（位相差π）に設定し、実施の形態４では、第２格子１４の山部と谷部の光路長差をλ／４（位相差π／２）に設定しているが、本実施形態では、第２格子１４の山部と谷部の光路長差を、λ／２（位相差π）、λ／４（位相差π／２）以外の光路長差に設定している。なお、山部と谷部は、格子ピッチＰ２の半分（＝（Ｐ２）／２）ごとに交互に配置して、デューティ比５０％の位相格子を形成している点は同様である。

Ｎ＝２の条件下で、第２格子１４の光路長差（位相差θ）を変えた場合のＯＴＦの計算結果を図１１に示す。図１１において、縦軸は相対出力をＤＣ成分で規格化したもの（ＯＴＦ）であり、横軸は距離Ｚ（＝Ｚ１＝Ｚ２）を、波長λと第２格子１４のピッチＰ２で決定されるタルボット位置Ｔ（＝（Ｐ２）^２／λ）で規格化したものである。

光路長差が３λ／８（θ＝３π／４）の場合、図１１に示すように、光路長差λ／２（θ＝π）に比べＯＴＦは若干劣化するが、同じＮ＝２の振幅格子の場合のＯＴＦ（約０．３）より上回っている。従って、Ｎの結像条件とＯＴＦの演算結果より、ピッチや距離、及び第２格子１４の光路長差の組み合わせによって、振幅格子に比べ光量は２倍でコントラストを向上させることが可能である。

実施の形態６．
本実施形態は、実施の形態１と同様な構成を有し、光学式エンコーダは、光進行方向に沿って、光源１１と、第１格子１２と、第２格子１４と、第３格子１６と、受光素子１７などで構成されるが、第２格子１４として、凹凸形状のデューティ比（格子ピッチＰ２に対する谷部の割合）が５０％以外の値、例えば４０％や３０％などのデューティ比を有する位相格子を使用している。また、第２格子１４の山部と谷部の光路長差も、λ／２（位相差π）、λ／４（位相差π／２）あるいはこれら以外の光路長差に設定している。

この場合も、Ｎの結像条件とＯＴＦより、ピッチや距離、及び第二格子のデューティ比と光路長差の組み合わせによって、振幅格子に比べ、光量は２倍でコントラストを向上させることが可能である。

実施の形態７．
図１２は、本発明の実施の形態７を示す構成図である。本実施形態は、実施の形態１と同様な構成を有し、光学式エンコーダは、光進行方向に沿って、光源１１と、第１格子１２と、第２格子１４と、第３格子１６と、受光素子１７などで構成されるが、第１格子１２から第２格子１４までの距離Ｚ１および第２格子１４から第３格子１６までの距離Ｚ２が実施の形態１と比べて相違している。

距離Ｚ１を０．８×Ｔ／４、０．９×Ｔ／４、Ｔ／４、１．４×Ｔ／４、２．３×Ｔ／４、３．０×Ｔ／４のいずれかに固定して、距離Ｚ２を０〜２Ｔの範囲で変化させた場合に、Ｎ＝２、光路長差λ／２の条件におけるＯＴＦの計算結果を図１３に示す。ここで、Ｔは、波長λと第２格子１４のピッチＰ２で決定されるタルボット位置（＝（Ｐ２）^２／λ）である。

ここで、グレーティングイメージ（三格子法）の理論においては、Ｚ１とＺ２の比率に応じて、下記の式（３）の関係を満足しつつ、第１格子の像が拡大または縮小される。

例えば、Ｚ１＝０．９×Ｔ／４の場合、図１４に示すように、Ｚ１とＺ２の比率に応じて、空間周波数σ３（＝１／Ｐ３）とσ１（＝１／Ｐ１）が変化する。即ち、第１格子１２のピッチＰ１と第３格子１６のピッチＰ３が、Ｚ１とＺ２の比率に応じて変化する。

一例として、λ＝８５０ｎｍ、Ｐ２＝６４．７μｍでＺ１＝１．１ｍｍの場合、Ｚ２＝２．２ｍｍにおいて、ＯＴＦは、図１３より約０．６となり、この時のＰ３とＰ１のピッチは、図１４よりＰ３＝９７．２μｍ、Ｐ１＝４８．６μｍとなる。即ち、４８．６μｍの第１格子１２の像が２倍に拡大されて、第３格子１６上に結像されることになる。

このような構成によれば、第３格子上の像が拡大されることから、コントラストと光量の向上と共に、第３格子のアライメントが容易になるというメリットがある。

なお、上述の例は光路長差λ／２における一例であるが、ＯＴＦとＮの結像条件、及びＺ１とＺ２の比率などから求められる空間周波数の各条件を満足できれば、どのような組み合わせでも、拡大または縮小の系を構成することができる。また、光路長差を例えばλ／４のようにλ／２以外とした場合でも、ＯＴＦとＮの結像条件、及びＺ１とＺ２の比率などから求められる空間周波数の各条件を満足できれば、どのような組み合わせでも、拡大または縮小の系を構成することができる。

実施の形態８．
図１５は、本発明の実施の形態８を示す構成図である。本実施形態は、実施の形態１と同様な構成を有し、光学式エンコーダは、光進行方向に沿って、光源１１と、第１格子１２と、第２格子１４と、第３格子１６と、受光素子１７などで構成されるが、第２格子１４として光路長差が正弦波状に変化する位相格子を使用している。

この場合も上述と同様に、ＯＴＦの計算結果と結像条件に応じて、ピッチや距離Ｚなどの設計パラメータを組み合わせることで、第３格子１６上に第１格子１２の像を結像させることが可能である。

例えば、Ｎ＝１で、第２格子１４の山の頂点部と谷の底部の光路長差がλ／４（位相差π／２）の時、Ｚ１＝Ｚ２＝Ｔの位置にて、ＯＴＦが約０．６となり、振幅格子に比較してコントラストを改善することができ、また光量も２倍となる。

また、図１５では、第２格子１４として光路長差が正弦波状に変化する位相格子を例に示したが、例えば、三角波形や階段状の波形など、周期的な位相分布を持つ位相格子であれば良く、光量を振幅格子に比べ二倍にすることができ、またコントラストの改善効果も期待できる。

実施の形態９．
図１６は、本発明の実施の形態９を示す構成図である。上述した各実施形態では、理解容易のために、格子をリニア形状としたリニアエンコーダの場合を例示したが、本発明は、所定の角度ピッチを有する格子を放射状に配置したロータリーエンコーダへの適用も可能である。

本実施形態の光学式エンコーダは、光進行方向に沿って、光源１１と、第１格子１２と、第２格子１４と、第３格子１６と、受光素子１７などで構成される。第２格子１４は、中心軸Ｃの周りに角変位可能なように支持される。

光源１１は、ＬＥＤなどで構成され、中心波長λの空間的にインコヒーレントな光を放射する。光源１１の光軸Ｑは、中心軸Ｃと平行で、中心軸Ｃから半径Ｒａの位置に位置決めされる。

第１格子１２は、透明な基板１３上に金属薄膜などのパターニングによって形成され、光軸Ｑが交差する位置において格子ピッチＰ１を有する振幅格子型のロータリースケールを構成して、光源からの光を空間的に振幅変調している。図２と同様に、格子ピッチＰ１の半分（＝（Ｐ１）／２）ごとに透過部２１と非透過部２２を交互に配置して、デューティ比５０％の扇形の振幅格子を形成することが好ましい。

第２格子１４は、中心軸Ｃの周りに回転可能な円板状に形成された透明な基板１５の表面に、周期的な凹凸加工を施すことによって形成され、光軸Ｑが交差する位置において格子ピッチＰ２を有する位相格子型のロータリースケールを構成して、第１格子１２からの光を空間的に位相変調している。図３の断面図に示すように、格子ピッチＰ２の半分（＝（Ｐ２）／２）ごとに山部と谷部を交互に配置して、デューティ比５０％の扇形の位相格子を形成することが好ましい。また、谷部を基準とした山部の高さは、光の波長をλとして、λ／２に設定することが好ましい。これにより谷部を通過する光と山部を通過する光の位相差がπに維持されるため、グレーティングイメージ（三格子法）の理論におけるＯＴＦを最大に設定できる。

第３格子１６は、光軸Ｑが交差する位置において格子ピッチＰ３を有する振幅格子型のロータリースケールを構成して、第２格子１４からの光を空間的に振幅変調している。図２に示した第１格子１２と同様に、格子ピッチＰ３の半分（＝（Ｐ３）／２）ごとに透過部と非透過部を交互に配置して、デューティ比５０％の扇形の振幅格子を形成することが好ましい。

受光素子１７は、フォトダイオード等で形成され、第３格子１６を通過した光を電気信号に変換する。ここでは、第３格子１６が受光素子１７の受光面に一体的に設けられている。

第１格子１２はハウジングなどに、また第３格子１６は受光素子などに固定されており、一方、第２格子１４は、光軸Ｑと直交する円周方向に角変位可能なように支持される。

ここで、第１格子１２から第２格子１４までの光学距離をＺ１、第２格子１４から第３格子１６までの光学距離をＺ２とし、上述した直線変位における格子ピッチの代わりに光軸Ｑと直交する位置での格子ピッチを使用することによって、ロータリーエンコーダにおけるＯＴＦを算出することができ、上述のようなグレーティングイメージ（三格子法）の理論を適用することができる。

一例として、Ｚ１＝Ｚ２で、第１格子１２に含まれる空間周波数成分が第３格子１６上に結像される条件がＮ＝２の場合、第２格子１４が格子ピッチＰ２の半周期（＝（Ｐ２）／２）だけ角変位すると、第３格子１６上の光強度分布が一周期分移動する。そこで、第３格子１６からの透過光を受光素子１７で光電変換し、その信号強度の変化をカウントすることによって、第２格子１４の相対角変位量を検出することができる。

なお、上述の例は光路長差λ／２における一例であるが、ＯＴＦとＮの結像条件を満足できれば、どのような組み合わせでも、ロータリーエンコーダを構成することができる。また、光路長差を例えばλ／４のようにλ／２以外とした場合でも、ＯＴＦとＮの結像条件を満足できれば、どのような組み合わせでも、ロータリーエンコーダを構成することができる。

実施の形態１０．
図１７は、本発明の実施の形態１０を示す構成図である。上述した各実施形態では、理解容易のために、第２格子１４として透過型の位相格子を使用した例を示したが、本発明は、第２格子１４として反射型の位相格子を使用した場合にも適用可能である。

本実施形態の光学式エンコーダは、光進行方向に沿って、光源１１と、第１格子１２と、第２格子１４と、第３格子１６と、受光素子１７などで構成され、各格子１２，１４，１６のスリット方向を紙面垂直方向に設定し、第２格子１４の移動方向を紙面に平行な上下方向に設定している。光源１１からの光は、第１格子１２を斜めに通過し、第２格子１４で斜めに反射し、第３格子１６を斜めに通過して、受光素子１７に到達する。Ｚ１，Ｚ２は、光進行方向に沿った距離で定義される。

このとき、第２格子１４の段差を、透過型位相格子の半分に設定すれば、上述したグレーティングイメージ（三格子法）の理論が同様に適用可能である。例えば、透過型の第２格子１４における山部と谷部の光路長差がλ／２（位相差π）の場合、反射型の第２格子１４における山部と谷部の光路長差はλ／４（位相差π／２）となる。他の例として、透過型の第２格子１４における山部と谷部の光路長差がλ／４（位相差π／２）の場合、反射型の第２格子１４における山部と谷部の光路長差はλ／８（位相差π／４）となる。

このように第２格子１４として反射型の位相格子を使用した場合、光源１１および第１格子１２と、第３格子１６および受光素子１７とを第２格子１４に関して同じ側に配置できるため、全体構成のコンパクト化が図られる。

実施の形態１１．
図１８は、本発明の実施の形態１１を示す構成図である。本実施形態は、前の実施形態と同様に、第２格子１４として反射型の位相格子を使用しているが、各格子１２，１４，１６のスリット方向を紙面に平行な上下方向に設定し、第２格子１４の移動方向を紙面垂直方向に設定している。光源１１からの光は、第１格子１２を斜めに通過し、第２格子１４で斜めに反射し、第３格子１６を斜めに通過して、受光素子１７に到達する。Ｚ１，Ｚ２は、光進行方向に沿った距離で定義される。

こうした構成においても上述したグレーティングイメージ（三格子法）の理論が同様に適用される。また、光源１１および第１格子１２と、第３格子１６および受光素子１７とを第２格子１４に関して同じ側に配置しているため、全体構成のコンパクト化が図られる。

上述の各実施形態において、第１格子１２および第３格子１６を固定し、第２格子１４が移動する例を示したが、第２格子１４を固定し、第１格子１２および第３格子１６が移動するように構成しても構わない。また、第１格子１２に対して、第２格子１４および第３格子１６を相対的に移動させる構成や、第３格子１６に対して、第１格子１２と第２格子１４を相対的に移動させる構成としても、信号を得ることができる。

また、各実施形態において、第１格子１２として透過率が矩形波状または正弦波状に変化する格子を使用した例を示したが、後方の結像面において所望の強度分布（空間周波数分布）が得られるように、第１格子１２の透過率分布は適宜設定可能である。

また、各実施形態において、第３格子１６のデューティ比を５０％に設定した例を示したが、５０％以外でもよく、所望の出力が得られるように、第３格子１６の透過率分布は適宜設定可能である。

また、各実施形態において、第３格子１６を遮光スリットで構成した例を示したが、第３格子１６の開口形状に対応した複数の受光素子を格子ピッチＰ３で離散的に配置して、これらの受光素子からの出力を加算してもよく、これにより第３格子１６および受光素子１７が一体的に形成可能であり、組立て作業の簡略化、部品点数の削減に資する。

また、各実施形態において、格子１２，１４，１６の光通過面に反射防止コーティングを施すことによって、光量損失を低減できる。この場合、位相差などの光学設計において、コーティング膜厚が考慮される。

また、各実施形態において、光源１１からの光を直接に第１格子１２に入射させた例を示したが、光源１１と第１格子１２との間に所定の拡散角を有する拡散板を介在させて、拡散光を第１格子１２に入射させるように構成しても構わない。この場合、拡散板の拡散角を調整することによって、受光素子１７の受光エリアから外れる光量を低減して、光利用効率を向上できる。

本発明によれば、光源から受光素子までのＯＴＦが向上して、光の利用効率を格段に改善できるため、高性能でコンパクトな光学式エンコーダを実現できる。

Claims (10)

1. 空間的インコヒーレントな光源と、
   第１の格子ピッチを有する振幅格子で構成され、光源からの光を空間的に振幅変調するための第１格子と、
   第２の格子ピッチを有する位相格子で構成され、第１格子からの光を空間的に位相変調するための第２格子と、
   第３の格子ピッチを有する振幅格子で構成され、第２格子からの光を空間的に振幅変調するための第３格子と、
   第３格子からの光を受光するための受光素子とを備え、
   各々の格子間の相対移動量を検出する光学式エンコーダであって、
   光の波長をλとして、第２の格子の山部と谷部にて発生する光路長差が実質的にλ／２であり、
   第１の格子ピッチ、第２の格子ピッチおよび第３の格子ピッチは同じピッチＰであり、
   第１格子と第２格子との間の第１距離および第２格子と第３格子との間の第２距離が、実質的にＰ ^２ ／（４×λ）の奇数倍に設定されていることを特徴とする光学式エンコーダ。
2. 空間的インコヒーレントな光源と、
   第１の格子ピッチを有する振幅格子で構成され、光源からの光を空間的に振幅変調するための第１格子と、
   第２の格子ピッチを有する位相格子で構成され、第１格子からの光を空間的に位相変調するための第２格子と、
   第３の格子ピッチを有する振幅格子で構成され、第２格子からの光を空間的に振幅変調するための第３格子と、
   第３格子からの光を受光するための受光素子とを備え、
   各々の格子間の相対移動量を検出する光学式エンコーダであって、
   光の波長をλとして、第２の格子の山部と谷部にて発生する光路長差が実質的にλ／４であり、
   第２の格子ピッチはＰであり、第１の格子ピッチおよび第３の格子ピッチは同じピッチ２Ｐであり、
   第１格子と第２格子との間の第１距離および第２格子と第３格子との間の第２距離が、実質的にＰ ^２ ／λの奇数倍に設定されていることを特徴とする光学式エンコーダ。
3. 空間的インコヒーレントな光源と、
   第１の格子ピッチを有する周期構造で構成され、光源からの光を空間的に振幅変調するための第１格子と、
   第２の格子ピッチを有する位相格子で構成され、第１格子からの光を空間的に位相変調するための第２格子と、
   第３の格子ピッチを有する周期構造で構成され、第２格子からの光を空間的に振幅変調するための第３格子と、
   第３格子からの光を受光するための受光素子とを備え、
   各々の格子間の相対移動量を検出する光学式エンコーダであって、
   第１格子と第２格子との間の第１距離は、第２格子と第３格子との間の第２距離と異なり、
   第１距離と第２距離の比率は、第１格子のピッチと第３格子のピッチとの比率と実質的に一致していることを特徴とする光学式エンコーダ。
4. 第２格子は、光の波長をλとして、山部と谷部にて発生する光路長差が実質的にλ／２に設定されていることを特徴とする請求項３記載の光学式エンコーダ。
5. 第２格子は、光の波長をλとして、山部と谷部にて発生する光路長差が実質的にλ／４に設定されていることを特徴とする請求項３記載の光学式エンコーダ。
6. 第２格子は、デューティ比が実質的に５０％である凹凸形状を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光学式エンコーダ。
7. 第２格子は、光路長差が実質的に正弦波状に変化している位相格子で構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光学式エンコーダ。
8. 第１格子、第２格子および第３格子は、ロータリー型のスケールであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光学式エンコーダ。
9. 第１格子は、透過率の空間分布が正弦波状に変化していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光学式エンコーダ。
10. 複数の受光素子が第３の格子ピッチで離散的に配置されて、第３格子および受光素子が一体的に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光学式エンコーダ。

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