エンコーダ
【課題】エンコーダの分解能を向上する。
【解決手段】インデックス回折格子１３で発生した回折光を、移動回折格子１５で再干渉させ、その干渉光の干渉縞（周期的な光強度分布）を変調ミラー１６の回転振動で振動させ、その周期的な光強度分布の位相変調したうえで、受光部１７でその変調信号を検出する。検出装置１８では、検出された変調信号の０次成分〜４次成分が検出され、そのうちの１次成分、２次成分に基づいて、インデックス回折格子１３に対する移動回折格子１５の相対変位量が導き出される。
【解決手段】インデックス回折格子１３で発生した回折光を、移動回折格子１５で再干渉させ、その干渉光の干渉縞（周期的な光強度分布）を変調ミラー１６の回転振動で振動させ、その周期的な光強度分布の位相変調したうえで、受光部１７でその変調信号を検出する。検出装置１８では、検出された変調信号の０次成分〜４次成分が検出され、そのうちの１次成分、２次成分に基づいて、インデックス回折格子１３に対する移動回折格子１５の相対変位量が導き出される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンコーダに係り、さらに詳しくは、移動体の変位を検出する光学式のエンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、一般的な光学式エンコーダとして、移動体とともに移動し、かつ移動方向に直交させて等間隔に形成した格子を有する回折格子と、この回折格子に２つの可干渉光束を照射する照射光学系と、回折格子で回折された同次数の正負の回折光を干渉させて干渉光の強度変化を検出する検出器とを備え、この干渉光の強度変化に基づいて、回折格子の移動量を検出する回折干渉式のエンコーダが知られている（例えば、特許文献１等参照）。
【０００３】
このような光学式エンコーダにおいて、回折格子の形成精度や、実使用時における回折格子の姿勢（ヨーイング等）に変化が生じると、回折格子の移動量の検出結果に誤差が生じる可能性がある。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−３５５７０号公報
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、第１の観点からすると、移動体の変位に関する情報を検出するエンコーダであって、前記移動体の変位に関する情報に対応した光強度分布を変調する変調装置と；前記変調された光強度分布を有する光を受光し、その受光結果に応じた信号を出力する受光装置と；を備えるエンコーダである。
【０００６】
これによれば、移動体の変位に関する情報が含まれている周期的な光強度分布の位相変調結果に基づいて、移動体の相対変位及び方向を検出するので、その検出結果が、回折格子の形成精度や、回折格子の姿勢に影響を受け難くなる。
【０００７】
本発明は、第２の観点からすると、移動体の変位に関する情報を検出するエンコーダであって、前記移動体の変位に関する情報に対応した光強度分布を、複数の受光素子で受光し、その受光結果に応じた信号を受光素子毎に出力する受光装置と；前記複数の受光素子の出力信号を、所定の周期信号に従って、時系列信号に変調する変調装置と；前記時系列信号を、前記移動体の変位に関する情報を検出するための信号に変換するコンバータと；を備えるエンコーダである。
【０００８】
これによれば、移動体の変位に関する情報に対応する光強度分布を有する光を受光した複数の受光素子の出力信号を、所定の周期信号に従って、時系列信号に変調する。すなわち、移動体の変位に関する情報が含まれている光の強度分布を電気的に変調することにより、移動体の相対変位及び方向を検出する。この場合も、当然に、その検出結果が、回折格子の形成精度や、回折格子の姿勢に影響を受け難くなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
≪第１の実施形態≫
以下、本発明の第１の実施形態を図１〜図３（Ｅ）に基づいて説明する。図１には、本発明の第１の実施形態に係るエンコーダ１００の構成が概略的に示されている。図１に示されるように、このエンコーダ１００は、光源１１と、コリメータレンズ１２と、インデックス回折格子１３と、ミラー１４Ａ、１４Ｂと、移動回折格子１５と、変調用ミラー１６と、受光部１７と、検出装置１８等の信号処理系とを備えている。
【００１０】
光源１１は、例えば波長８５０ｎｍのコヒーレントなレーザ光を射出するレーザ光源である。コリメータレンズ１２は、光源１１の−Ｚ側に配置されている。さらに、コリメータレンズ１２の−Ｚ側にあるインデックス回折格子１３及び移動回折格子１５は、格子線の方向がＹ軸方向となるように、すなわち、その格子の配列方向がＸ軸方向となるように、Ｚ軸方向に対向して配置されている。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。これらのインデックス回折格子１３と移動回折格子１５の格子ピッチは、互いに同じｐであり、５０μｍ以下、例えば８μｍ程度である。
【００１１】
ミラー１４Ａ、１４Ｂは、インデックス回折格子１３と移動回折格子１５との間に、互いにＸ軸方向に対向するように配置されている。変調ミラー１６は、その反射面がＹ軸回りに回転する回転軸を備えており、後述する回転駆動装置２１により、所定の周期で、その回転軸を中心に回転振動している。受光部１７は、その受光面が、変調ミラー１６の反射面に対向するように配置された複数の受光素子（例えば、多分割受光素子）を備えている。光源１１、コリメータレンズ１２、インデックス回折格子１３、ミラー１４Ａ、１４Ｂ、受光部１７は、互いの位置関係が固定されている。移動回折格子１５は、不図示の移動体とともにＸ軸方向に移動する。すなわち、その移動方向は、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となっている。
【００１２】
このエンコーダ１００における照明光の光路について説明する。光源１１から射出された照明光は、コリメータレンズ１２で平行光に変換され、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が発生する。図１では、これらの回折光のうち±１次回折光のみが図示されている。この±１次回折光は、ミラー１４Ａ、１４Ｂでそれぞれ偏向された後、移動回折格子１５に入射する。±１次回折光は、この移動回折格子１５上に干渉縞を形成する。移動回折格子１５では、その回折作用により、入射した±１次回折光に対する新たな±１次回折光が形成され、一部の回折光は再び干渉する。これらの干渉光のうち、−Ｚ方向に直進する干渉光は、変調ミラー１６で反射された後、受光部１７に入射する。受光部１７の各受光素子は、入射した干渉光の光強度に対応する信号を出力する。
【００１３】
受光部１７に入射する干渉光は、その受光面上に干渉縞を形成する。この干渉縞は、正弦波形となり、その正弦波形の位相が、インデックス回折格子１３に対する移動回折格子１５の相対変位に対応している。受光部１７の各受光素子（それぞれ受光素子１〜ｎとする）は、それぞれが受光した干渉縞の光強度に相当する干渉信号Ｉnを出力する。上述したように、変調ミラー１６は、所定の周期信号に従って回転振動しているので、受光部１７の受光面上の干渉縞もその所定の周期信号に従ってＺ軸方向に振動するようになる。
【００１４】
図２には、受光部１７の各受光素子で受光される干渉信号Ｉnを説明するための図が示されている。変調ミラー１６は、正弦波状に振動しており、所定の周期信号を正弦波としている。ここで、この振動の角周波数をωとし、受光面上における干渉縞の振動振幅をε（片振幅ε／２）とする。ｔは、時間軸である。この場合、図２に示されるように、例えばｘ＝ｘ１に位置する受光素子では、太い矢印で示した範囲εの干渉縞の光強度の変動が繰り返し観測されるようになる。すなわち、ｘ＝ｘ１の位置する受光素子で観測される干渉信号Ｉnは、図２に示されるように、片振幅ε／２、角周波数ωの正弦波で変調された信号となる。なお、実際には、干渉縞はＺ軸方向に振動するが、この干渉縞は、本来、変調ミラー１６がなければ、Ｘ軸方向に形成される干渉縞であるため、図２では、横軸をＺ軸ではなく、Ｘ軸としている。
【００１５】
図３（Ａ）〜図３（Ｅ）には、インデックス回折格子１３と、移動回折格子１５との相対変位（本実施形態では、変位を角度表現で示す）を表す異なる５つの位相ｘでの、干渉信号Ｉnの変調の様子が示されている。図３（Ａ）には、ｘ＝−８１°であるときの干渉信号Ｉnの時間変化波形が示され、図３（Ｂ）には、ｘ＝−３６°であるときの干渉信号Ｉnの時間変化波形が示され、図３（Ｃ）には、ｘ＝０°であるときの干渉信号Ｉnの時間変化波形が示され、図３（Ｄ）には、ｘ＝＋３６°であるときの干渉信号Ｉnの時間変化波形が示され、図３（Ｅ）には、ｘ＝＋８１°であるときの干渉信号Ｉnの時間変化波形が示されている。
【００１６】
図３（Ａ）〜図３（Ｅ）にそれぞれ示されるように、それぞれの移動で、干渉信号Ｉnの時間変化波形は異なるようになり、その信号波形から、干渉縞の位相を検出することが可能であるのがわかる。また、位相の正負により、干渉信号Ｉnの時間変化波形は、対称的な波形となる。例えば、図３（Ｂ）に示されるｘ＝−３６°の変調波形と、図３（Ｄ）に示されるｘ＝＋３６°の変調波形とでは、干渉信号Ｉnの時間変化波形は、対称となっている。このことから、この干渉信号Ｉnを解析すれば、移動回折格子の移動方向をも検出することが可能となるのがわかる。
【００１７】
干渉信号Ｉnは、ところで、位相変調された信号であるため、次式で表されるようになる。
Ｉn＝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）
＋・・・ …（１）
ここで、Ｊnは、ｎ次ベッセル展開係数であり、ｄは、変調度であり、２ｄ＝２πε／ｐである。ｐは、前述のとおり、インデックス回折格子１３、移動回折格子１５のピッチである。本実施形態では、２ｄ＝２．３であるものとする。
【００１８】
図１に戻り、エンコーダ１００の信号処理系は、検出装置１８と、変位検出装置１９と、変調制御装置２０と、回転駆動装置２１と、光量制御装置２２と、光源駆動装置２３と、発振回路２４とを備えている。
【００１９】
検出装置１８は、同期検波により、干渉信号Ｉnにおける変調信号（角周波数ω、振幅ε／２）を基本波とするその０次成分〜４次成分を抽出する。この同期検波は、発振回路２４から与えられるパルス信号に従って行われる。例えば、１次成分の同期検波は、角周波数ωのパルス信号（ｓｉｎωｔ）を用いて行われ、２次成分の同期検波は、ｓｉｎωｔとは、角周波数２ωのパルス信号（ｃｏｓ２ωｔ）を用いて行われる。
【００２０】
変位検出装置１９は、抽出された１次成分、２次成分を入力し、それらの成分と、ベッセル関数Ｊ1（２ｄ）、Ｊ2（２ｄ）の値を、上記式（１）に代入して、ｓｉｎ（４πｘ／ｐ）と、ｃｏｓ（４πｘ／ｐ）との値を算出し、出力する。この出力がエンコーダ１００の出力、すなわち、移動体の変位に関する情報となる。
【００２１】
変調制御装置２０は、抽出された１次成分〜４次成分を入力して、変調ミラー１６による変調度ｄをモニタし、そのモニタ結果に基づいて、その変調度（２ｄ＝２πε／ｐ）が目標値に一致するように、回転駆動回路２１を介して、変調ミラー１６の回転振動を制御する。これにより、変調度が一定値（例えば、２ｄ＝２．３）に保たれる。なお、この変調度の設定値２．３は、変位検出及び光量制御等を最も簡便にする値となっている。
【００２２】
光量制御装置２２は、抽出された干渉信号Ｉnの０次成分を入力し、その０次成分の変動が抑制されるように、光源駆動装置２３を介して光源１１を駆動制御する。これにより、光源１１から発せられる照明光の光量が一定値に保たれるようになる。
【００２３】
なお、検出装置１８、変調制御装置２０、回転駆動装置２１には、発振回路２４から出力された変調ミラー１６を回転振動させるための駆動信号に相当する信号（角周波数ω）が送られている。検出装置１８、変調制御装置２０及び回転駆動装置２１では、この駆動信号に基づいて、干渉信号Ｉnの各次成分の検出、変調度２ｄの制御、変調ミラー１６の駆動が行われる。
【００２４】
次に、エンコーダ１００の動作について説明する。まず、初期状態として、図３（Ｃ）に示されるように移動回折格子１５が、ｘ＝０°の状態にあるとする。この場合、干渉信号Ｉnとして、図３（Ｃ）に示されるような信号波形が、受光部１７から出力される。検出装置１８は、干渉信号Ｉnからその１次成分と２次成分とを検出し、それらの成分を、変位検出装置１９に送る。変位検出装置１９は、エンコーダ１００の出力としてｘ＝０°を出力するようになる。また、この間、検出装置１８は、変調制御装置２０に対し０次成分〜４次成分を送るとともに、光量制御装置２２に対し、０次成分を送る。変調制御装置２０及び光量制御装置２２の制御により、変調度ｄ及び光量が一定に保たれる。
【００２５】
次に、図３（Ｂ）に示されるように、不図示の移動体の移動に伴って移動回折格子１５がｘ＝−３６°の位置に移動したものとする。この場合、干渉信号Ｉnとして、図３（Ｂ）に示されるような信号波形が、受光部１７から出力される。検出装置１８は、この干渉信号Ｉnから１次成分と、２次成分とを検出し、それらの成分を、変位検出装置１９に送る。この場合、変位検出装置１９は、エンコーダの出力としてｘ＝−３６°を出力するようになる。また、この間も、検出装置１８は、変調制御装置２０に対して０次成分〜４次成分を送るとともに、光量制御装置２２に対して０次成分を送る。変調制御装置２０及び光量制御装置２２の制御により、変調度ｄ及び光量が一定に保たれる。
【００２６】
このようにして、常時、変位検出装置１９によって、インデックス回折格子１３に対する移動回折格子１５の相対変位に関する情報が常時検出され、例えば移動体の位置制御などに用いられる。
【００２７】
以上詳細に述べたように、本実施形態に係る光学式のエンコーダ１００によれば、受光部１７は、インデックス回折格子１３に対する移動回折格子１５の相対変位に関する情報に対応する光強度分布が変調された状態で、その干渉光を受光する。そして、この変調された干渉信号Ｉn、すなわち不図示の移動体の変位に関する情報が含まれている周期的な光強度分布の位相変調結果に基づいて、不図示の移動体の相対変位及び方向を検出している。このようにすれば、インデックス回折格子１３及び移動回折格子１５の形成精度や各回折格子の姿勢が、エンコーダの出力に影響を与えないようにすることができる。また、干渉光の光強度分布を高調波で変調するので、周波数に比例して小さくなくなるいわゆる１／ｆ雑音などを低減し、そのＳ／Ｎ比を向上させることができる。
【００２８】
また、本実施形態によれば、変調ミラー１６は、その干渉光の偏向方向を周期的に変動させ、受光部１７では、周期的に変動する干渉光の偏向方向に沿って複数の受光素子が配置されている。このようにすれば、干渉光の光強度分布の変調状態を受光部１７において検出することができる。
【００２９】
また、本実施形態では、干渉光の光強度分布の変調は、変調ミラー１６と、その変調ミラー１６の回転量を周期的に変動させる回転駆動装置２１とによって実現される。なお、本実施形態では、変調ミラー１６を、回転振動するものとしたが、これには限られず、変調ミラーとして、Ｚ軸方向に平行に振動するようなミラーを用いるようにしてもよい。また、ミラーの代わりに、プリズムや回折格子を用いても良い。要は、受光部１７の前に、干渉光の光路を周期的に変動させるような光学素子と、その光学素子を振動させる駆動装置とがあればよい。
【００３０】
なお、本実施形態では、受光部１７が、多分割の受光素子であるものとしたが、本発明はこれには限られない。例えば、受光部１７の受光素子は単一のものとしても、その受光素子の大きさを、多分割の受光素子の１つ１つの画素と同等の大きさとすれば、変調された光強度分布の変調状態を検出可能となり、本実施形態と同様にして、インデックス回折格子１３に対する移動回折格子１５の相対変位を検出することが可能となる。
【００３１】
なお、光学式エンコーダで、照明光を変調して移動体の変位やその移動方向を検出する方法として、例えば、インデックス回折格子１３をＸ軸方向に振動させたり、インデックス回折格子１３で生じた±１次回折光の一方の位相を変調するなどして、回折格子で生じた一方の回折光を変調する方法も採用することができるが、本実施形態では、受光部１７の受光素子に入射する干渉光の光強度分布を振動させ、その位相変調を行っている。このようにすれば、移動回折格子１５に関し、光路の上流側ではなく、光路の下流側、例えば、受光素子の直前で変調を行うこととなるので、受光結果における、変調機構の機械的なドリフトなどの影響を極力低減することができる。
【００３２】
≪第２の実施形態≫
次に、本発明の第２の実施形態について図４〜図７（Ｃ）を参照して説明する。図４には、本実施形態に係るエンコーダ１０１の構成が概略的に示されている。本実施形態に係るエンコーダ１０１は、変調ミラー１６の変わりに、固定のミラー１６’を備え、ミラー１６’と受光部１７との間に、空間フィルタ２５が挿入されており、回転駆動装置２１の代わりにフィルタ駆動装置２１’を備えており、受光部１７の代わりに、受光部１７’を備えている点が、上記第１の実施形態に係るエンコーダ１００の構成と異なる。したがって、以下においては、重複記載を防止する観点から、これらの装置及びそれぞれの構成各部については上記第１の実施形態と同一の符号を用いるとともに、主として、上記第１の実施形態と処理内容が異なる部分について説明する。また、図４では、光量制御装置２２、光源駆動装置２３などの光量制御系、変調制御装置２０などの変調制御系などについては、上記第１の実施形態と同様であるため、特に図示していない。
【００３３】
本実施形態では、ミラー１６’が固定となっているので、空間フィルタ２５に入射する光強度分布は変調されていない。空間フィルタ２５は、その入射する光の透過率分布を調整可能なフィルタである。フィルタ駆動装置２１’は、所定の周期信号に従って、空間フィルタ２５の透過率分布を変更する。受光部１７’は、多分割受光素子ではなく、単一の受光素子を有している。
【００３４】
図５には、空間フィルタ２５と、フィルタ駆動装置２１’との詳細な構成が示されている。空間フィルタ２５は、一列に配置された複数の領域に分割されており、領域毎に、透過率を設定可能なスリットシャッタ方式のフィルタである。このような空間フィルタとしては、例えば液晶方式のものを用いることができる。本実施形態では、説明を簡単にするために、空間フィルタ２５の各領域は、干渉光の光強度分布の１／４周期に対応するものとしている。したがって、連続する４つの領域が、干渉光の光強度分布の１周期分に相当するようになる。しかしながら、本発明がこれには限られず、１周期分の領域数は、任意に設定できる。
【００３５】
図５に示されるように、フィルタ駆動装置２１’は、シフトレジスタ３１と、４つの駆動装置３２と、シフト方向設定回路３３とを備えている。シフトレジスタ３１の各レジスタは、フリップフロップ回路で構成されており、そのレジスタの数は４ビットである。すなわち、シフトレジスタ３１のビット数は、干渉光の光強度分布の１周期分の空間フィルタ２５の領域の数に相当する。シフトレジスタ３１の各レジスタの内容は、発振回路２４（図４参照）から入力されるクロック信号にしたがって、１ビットずつシフトする。シフトレジスタ３１は、双方向のシフトレジスタであり、シフト方向設定回路３３からの入力により、そのシフト方向が右であるか左であるかが決定される。シフト方向設定回路３３は、クロック信号が３つのシフトするごとに、シフト方向を逆（左→右、右→左）に変更する。図５では、シフトレジスタ３１に、１、０、０、０がセットされている。
【００３６】
シフトレジスタ３１の各レジスタに設定された値に相当する信号は、各駆動装置３２にそれぞれ出力されている。各駆動装置３２の出力は、空間フィルタ２５の幾つかの領域に接続されている。空間フィルタ２５の各領域は、３つ置きに（光強度分布の周期で）、同一の駆動装置３２に接続されている。各駆動装置３２は、入力されたビットの値が１である場合には、空間フィルタ２５の透過率を１００％に設定し、０である場合には、対応する空間フィルタ２５の領域の透過率を０％に設定する。図５では、透過率が０％に設定された領域がグレイ表示されている。
【００３７】
図６（Ａ）〜図７（Ｃ）には、シフトレジスタ３１による、空間フィルタ２５の制御の様子が示されている。図６（Ａ）〜図６（Ｄ）に示されるように、シフトレジスタのデータが、右にシフトして、１、０、０、０→０、１、０、０→０、０、１、０→０、０、０、１と変遷していくにつれて、空間フィルタ２５において、光を透過させる領域も、１つずつ右にシフトしていくようになる。すなわち、シフトレジスタ３１の各レジスタの内容が１ビットずつ右にシフトしていくと、空間フィルタ２５を通過する干渉光の光強度分布の位相が右に９０度ずつずれていくようになる。
【００３８】
この後、シフト方向設定回路３３により設定されるシフト方向の設定が、右から左に変更されると、図７（Ａ）、図７（Ｂ）に示されるように、シフトレジスタ３１の各レジスタの内容は、０、０、１、０→０、１、０、０と進むようになる。これに従って、空間フィルタ２５において、干渉光を透過させる領域も、１つずつ左にシフトしていくようになる。すなわち、シフトレジスタ３１のレジスタの内容が１ビットずつ左にシフトしていくと、空間フィルタ２５を通過する光強度分布の位相は、左に９０度ずつずれていくようになる。
【００３９】
この後、シフトレジスタ３１のレジスタの内容は、図７（Ｃ）（すなわち図６（Ａ）と同じ状態）に示される状態に戻り、再び、図６（Ａ）〜図７（Ｃ）に示される状態が繰り返されることになる。すなわち、この空間フィルタ２５では、通過する位相の光が、シフトレジスタ３１の左右データシフトにより、左右に９０度ずつずれていくようになり、受光部１７’では、空間フィルタ２５を通過した同位相の光を受光し、その強度信号を出力するようになる。この結果、受光部１７’から出力される信号は、干渉光の光強度分布が、シフトレジスタ１３のデータシフトに基づいて変調された信号となる。上述したシフトレジスタ３１のデータシフトは、発振回路２４から送られたクロック信号によって一定間隔で行われるため、この変調は、三角波信号による干渉光の光強度分布の変調であるとみなすことができる。
【００４０】
上記第１の実施形態では、正弦波によって干渉光の光強度分布を変調したが、本実施形態では、上述したように、三角波によって干渉光の光強度分布を変調している。このように、変調信号が三角波であっても、正弦波の場合と同様にして、位相変調が行われた干渉光の光強度分布を変調して移動回折格子１５の変位を検出することができる。なお、シフトレジスタ３１のデータシフトを、一定のクロック信号で行わずに、正弦波状のタイミングでデータシフトを行えば、本実施形態における変調は、上記第１の実施形態と同様の、正弦波信号による光強度分布の位相変調であるとみなすことができる。
【００４１】
以上詳細に述べたように、本実施形態に係るエンコーダ１０１では、透過率分布が変動する空間フィルタ２５を用いて、移動体の変位量に関する情報が含まれる干渉光の光強度分布の変調を行う。この空間フィルタ２５は、干渉光の光強度分布に同期した透過率分布を有し、その透過率分布を周期的に変動させているため、その空間フィルタ２５を同時に通過する光は、干渉光の光強度分布の特定の位相における光のみとなる。本実施形態では、空間フィルタ２５における透過率分布を調整し、透過する光強度分布の位相を周期的に変動させて、光強度分布の変調が実現される。
【００４２】
この空間フィルタ２５は、干渉光の光路上に配置されたスリットシャッタ方式のフィルタであり、このフィルタの明暗部（すなわち、透過率が０％の領域と１００％の領域）をフィルタ駆動装置２１’の駆動で周期的に変動させることにより、干渉光の光強度分布の変調が実現されている。しかしながら、その明暗部のピッチが、干渉光の光強度分布の周期の整数分の一となっている空間フィルタを、干渉光の光強度分布に沿って機械的に振動させるようにしてもよい。また、このような空間フィルタは、１本のスリットを有するものであってもよい。
【００４３】
≪第３の実施形態≫
次に、本発明の第３の実施形態について、図８〜図１０に基づいて説明する。図８には、本実施形態に係るエンコーダ１０２の構成が概略的に示されている。本実施形態に係るエンコーダ１０２は、受光部１７’の代わりに、受光部１７’’を備え、ミラー１６’と受光部１７との間に空間フィルタ２５が挿入されていない点と、処理系の構成とが、上記第２の実施形態に係るエンコーダ１０１と異なる。したがって、以下においては、重複記載を防止する観点から、これらの装置及びそれぞれの構成各部については上記第２の実施形態と同一の符号を用いるとともに、主として、上記第２の実施形態と処理内容が異なる部分について説明する。
【００４４】
エンコーダ１０２での処理系は、発振回路２４と、切換装置２７と、検出装置２８とを備えている。図９には、切換装置２７の詳細な構成が示されている。図９に示されるように、選択回路４０と、切換回路４１、４２と、減算器４３と、増幅器４４と、フィルタ４５とを備えている。図９に示されるように、受光部１７’’は、連続して配置された４つのフォトダイオード等の受光素子Ａ〜Ｄを有している。この４つの受光素子Ａ〜Ｄで形成される受光面の幅が、干渉光の光強度分布の１周期に相当する。
【００４５】
選択回路４０には、発振回路２４からのクロック信号が入力されている。選択回路４０は、このクロック信号に基づいて、２ビットの信号を、切換回路４１、４２に出力している。具体的には、選択回路４０は、２進数で、００（すなわち０）、０１（すなわち１）、１０（すなわち、２）、１１（すなわち３）の値の信号を、一定の周期で、繰り返し出力している。
【００４６】
切換回路４１、４２は、それぞれ４つのスイッチ４１1〜４１4、４２1〜４２4を備えている。４つのスイッチ４１1〜４１4、４２1〜４２4は、同時に１つのスイッチしかクローズすることができないようになっている。切換回路４１、４２には、選択回路４０からの２ビットの信号が入力されており、切換回路４１では、この信号の値に従って、一定の周期で、クローズするスイッチが、スイッチ４１1→４１2→４１3→４１4の順で繰り返し切り替わり、切換回路４２では、クローズするスイッチが、スイッチ４２1→４２2→４２3→４２4の順で繰り返し切り替わっている。
【００４７】
スイッチ４１1、４２1がクローズされている期間を、期間ａとする。この場合、切換回路４１からは受光素子Ａで検出された光強度に相当する電流信号が出力される。この受光素子Ａで検出された光強度に相当する電流信号の値は、インデックス回折格子１３と、移動回折格子１５との相対変位ｘに関する−ｓｉｎｘを表している。また、切換回路４２からは、受光素子Ｃで検出された光強度に相当する電流信号が出力される。この受光素子Ｃで検出された光強度に相当する信号の値は、インデックス回折格子１３と、移動回折格子１５との相対変位ｘに関するｓｉｎｘを表している。これらの出力は、期間ａでホールドされた状態となる。減算器４３では、切換回路４１の出力値から、切換回路４２の出力値が減算された値の電流信号が出力される。増幅器４４では、この出力値の１／２の値に相当する電流信号が出力される。この信号の値は、−ｓｉｎｘとなる。
【００４８】
同様に、スイッチ４１2、４２2がクローズされている期間を期間ｂとする。この場合、切換回路４１からは受光素子Ｂによって検出された光強度に相当する電流信号が出力される。この受光素子Ｂで検出された光強度に相当する電流信号の値は、インデックス回折格子１３と、移動回折格子１５との相対変位ｘに関する−ｃｏｓｘを表している。また、切換回路４２からは、受光素子Ｄで検出された光強度に相当する電流信号が出力される。この受光素子Ｄで検出された光強度に相当する電流信号の値は、インデックス回折格子１３と、移動回折格子１５との相対変位ｘに関するｃｏｓｘを表している。この結果、増幅器４４からは、−ｃｏｓｘの値に相当する電流信号が出力されるようになる。
【００４９】
同様に、スイッチ４１3、４２3がクローズされている期間を期間ｃとする。この場合、切換回路４１からは受光素子Ｃからのｓｉｎｘに相当する電流信号が出力され、切換回路４２からは、受光素子Ａからの−ｓｉｎｘに相当する電流信号が出力される。この結果、増幅器４４からは、ｓｉｎｘの値に相当する電流信号が出力されるようになる。同様に、スイッチ４１4、４２4がクローズされている期間を期間ｄとする。この場合、切換回路４１からは受光素子Ｄからのｃｏｓｘに相当する電流信号が出力され、切換回路４２からは、受光素子Ｂからの−ｃｏｓｘに相当する電流信号が出力される。この結果、増幅器４４からは、ｃｏｓｘの値に相当する電流信号が出力されるようになる。
【００５０】
図１０には、このサンプルホールドされた電流信号が示されている。このサンプルホールドされた電流信号は、ローパスフィルタ４５に入力される。ローパスフィルタ４５の出力は、図１０に示されるように正弦波状の電流信号となる。図８に戻り、ローパスフィルタ４５の出力は、検出装置２８のＩ−Ｖコンバータ５０に入力される。Ｉ−Ｖコンバータ５０は、切換装置２７から出力された正弦波状の電流信号を電圧信号に変換して出力する。検出装置２８では、Ｉ−Ｖコンバータ５０から出力された電圧信号に基づいて、インデックス回折格子１３に対する移動回折格子１５の相対変位量ｘが検出され、エンコーダ１０２の出力として出力される。
【００５１】
このエンコーダ１０２の光学系は、いわゆるホモダイン光学系であり、周波数変調などを行っていないため、ＦＭ雑音について考慮する必要はなく、ＩＭ雑音についても、ＡＰＣ帯域を上げることで低減が可能である。したがって、このエンコーダ１０２においては、干渉光を受光してから変位情報を検出するまでの処理回路中におけるノイズの主な発生源は、検出装置２８のＩ−Ｖコンバータ５０となる。このＩ−Ｖコンバータ５０では、いわゆる１／ｆ雑音が発生する。本実施形態では、受光信号を、Ｉ−Ｖコンバータ５０で変換する前に、切換装置２７において、受光部１７’’で受光された干渉光の光強度分布に相当する信号を電気的に変調する。このようにすれば、Ｉ−Ｖコンバータ５０で発生する１／ｆ雑音を低減してＳ／Ｎ比を向上させることができるようになり、エンコーダ１０２における変位の検出精度が向上する。なお、本実施形態において、切換装置により実現される光強度分布に相当する信号の電気的な変調は、のこぎり波による光強度分布に相当するものである。
【００５２】
なお、上記各実施形態では、それぞれ、正弦波、三角波、のこぎり波による変調であったが、変調信号は周期信号であればよい。また、上記各実施形態に係るエンコーダは、すべて回折光干渉方式のエンコーダであるものとしたが、これらのエンコーダは、影絵方式のエンコーダであってもよい。また、リニアエンコーダだけでなく、ロータリーエンコーダにも本発明を適用することができることは勿論である。また、ミラー１４Ａ、１４Ｂの代わりに、±１次回折光を、移動回折格子１５上の同一位置に偏向させるガラスブロックなどの光学素子を備えるようにしてもよい。また、インデックス回折格子１３及び移動回折格子１５の一方は、反射型の回折格子であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明のエンコーダは、物体の変位情報を検出するのに適している。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るエンコーダの構成を示す概略図である。
【図２】受光素子で検出される干渉信号の一例を示す図である。
【図３】図３（Ａ）は、ｘ＝−８１°であるときの干渉信号Ｉnの時間変化波形が示す図であり、図３（Ｂ）は、ｘ＝−３６°であるときの干渉信号Ｉnの時間変化波形を示す図であり、図３（Ｃ）は、ｘ＝０°であるときの干渉信号Ｉnの時間変化波形を示す図であり、図３（Ｄ）は、ｘ＝＋３６°であるときの干渉信号Ｉnの時間変化波形を示す図であり、図３（Ｅ）は、ｘ＝＋８１°であるときの干渉信号Ｉnの時間変化波形を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係るエンコーダの構成を示す概略図である。
【図５】フィルタ駆動装置と、空間フィルタとの詳細な構成を示す図である。
【図６】図６（Ａ）は、シフトレジスタと、空間フィルタの透過率の関係を示す図であり（その１）、図６（Ｂ）は、シフトレジスタと、空間フィルタの透過率の関係を示す図であり（その２）、図６（Ｃ）は、シフトレジスタと、空間フィルタの透過率の関係を示す図であり（その３）、図６（Ｄ）は、シフトレジスタと、空間フィルタの透過率の関係を示す図である（その４）。
【図７】図７（Ａ）は、シフトレジスタと、空間フィルタの透過率の関係を示す図であり（その５）、図７（Ｂ）は、シフトレジスタと、空間フィルタの透過率の関係を示す図であり（その６）、図７（Ｃ）は、シフトレジスタと、空間フィルタの透過率の関係を示す図である（その７）。
【図８】本発明の第３の実施形態に係るエンコーダの構成を示す概略図である。
【図９】切換装置及び検出装置の詳細な構成を示す図である。
【図１０】出力信号の波形を示す図である。
【符号の説明】
【００５５】
１１…光源、１２…コリメータレンズ、１３…インデックス回折格子、１４Ａ、１４Ｂ…ミラー、１５…移動回折格子、１６…変調用ミラー、１６’…ミラー、１７、１７’、１７’’…受光装置、１８…検出装置、１９…変調検出装置、２０…変調制御装置、２１…回転駆動装置、２３…光源駆動装置、２４…発振回路、２７…切換装置、２８…検出装置、３１…シフトレジスタ、３２…駆動装置、３３…シフト方向設定装置、４０…選択回路、４１、４２…切換回路、１００、１０１、１０２…エンコーダ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンコーダに係り、さらに詳しくは、移動体の変位を検出する光学式のエンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、一般的な光学式エンコーダとして、移動体とともに移動し、かつ移動方向に直交させて等間隔に形成した格子を有する回折格子と、この回折格子に２つの可干渉光束を照射する照射光学系と、回折格子で回折された同次数の正負の回折光を干渉させて干渉光の強度変化を検出する検出器とを備え、この干渉光の強度変化に基づいて、回折格子の移動量を検出する回折干渉式のエンコーダが知られている（例えば、特許文献１等参照）。
【０００３】
このような光学式エンコーダにおいて、回折格子の形成精度や、実使用時における回折格子の姿勢（ヨーイング等）に変化が生じると、回折格子の移動量の検出結果に誤差が生じる可能性がある。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−３５５７０号公報
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、第１の観点からすると、移動体の変位に関する情報を検出するエンコーダであって、前記移動体の変位に関する情報に対応した光強度分布を変調する変調装置と；前記変調された光強度分布を有する光を受光し、その受光結果に応じた信号を出力する受光装置と；を備えるエンコーダである。
【０００６】
これによれば、移動体の変位に関する情報が含まれている周期的な光強度分布の位相変調結果に基づいて、移動体の相対変位及び方向を検出するので、その検出結果が、回折格子の形成精度や、回折格子の姿勢に影響を受け難くなる。
【０００７】
本発明は、第２の観点からすると、移動体の変位に関する情報を検出するエンコーダであって、前記移動体の変位に関する情報に対応した光強度分布を、複数の受光素子で受光し、その受光結果に応じた信号を受光素子毎に出力する受光装置と；前記複数の受光素子の出力信号を、所定の周期信号に従って、時系列信号に変調する変調装置と；前記時系列信号を、前記移動体の変位に関する情報を検出するための信号に変換するコンバータと；を備えるエンコーダである。
【０００８】
これによれば、移動体の変位に関する情報に対応する光強度分布を有する光を受光した複数の受光素子の出力信号を、所定の周期信号に従って、時系列信号に変調する。すなわち、移動体の変位に関する情報が含まれている光の強度分布を電気的に変調することにより、移動体の相対変位及び方向を検出する。この場合も、当然に、その検出結果が、回折格子の形成精度や、回折格子の姿勢に影響を受け難くなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
≪第１の実施形態≫
以下、本発明の第１の実施形態を図１〜図３（Ｅ）に基づいて説明する。図１には、本発明の第１の実施形態に係るエンコーダ１００の構成が概略的に示されている。図１に示されるように、このエンコーダ１００は、光源１１と、コリメータレンズ１２と、インデックス回折格子１３と、ミラー１４Ａ、１４Ｂと、移動回折格子１５と、変調用ミラー１６と、受光部１７と、検出装置１８等の信号処理系とを備えている。
【００１０】
光源１１は、例えば波長８５０ｎｍのコヒーレントなレーザ光を射出するレーザ光源である。コリメータレンズ１２は、光源１１の−Ｚ側に配置されている。さらに、コリメータレンズ１２の−Ｚ側にあるインデックス回折格子１３及び移動回折格子１５は、格子線の方向がＹ軸方向となるように、すなわち、その格子の配列方向がＸ軸方向となるように、Ｚ軸方向に対向して配置されている。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。これらのインデックス回折格子１３と移動回折格子１５の格子ピッチは、互いに同じｐであり、５０μｍ以下、例えば８μｍ程度である。
【００１１】
ミラー１４Ａ、１４Ｂは、インデックス回折格子１３と移動回折格子１５との間に、互いにＸ軸方向に対向するように配置されている。変調ミラー１６は、その反射面がＹ軸回りに回転する回転軸を備えており、後述する回転駆動装置２１により、所定の周期で、その回転軸を中心に回転振動している。受光部１７は、その受光面が、変調ミラー１６の反射面に対向するように配置された複数の受光素子（例えば、多分割受光素子）を備えている。光源１１、コリメータレンズ１２、インデックス回折格子１３、ミラー１４Ａ、１４Ｂ、受光部１７は、互いの位置関係が固定されている。移動回折格子１５は、不図示の移動体とともにＸ軸方向に移動する。すなわち、その移動方向は、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となっている。
【００１２】
このエンコーダ１００における照明光の光路について説明する。光源１１から射出された照明光は、コリメータレンズ１２で平行光に変換され、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が発生する。図１では、これらの回折光のうち±１次回折光のみが図示されている。この±１次回折光は、ミラー１４Ａ、１４Ｂでそれぞれ偏向された後、移動回折格子１５に入射する。±１次回折光は、この移動回折格子１５上に干渉縞を形成する。移動回折格子１５では、その回折作用により、入射した±１次回折光に対する新たな±１次回折光が形成され、一部の回折光は再び干渉する。これらの干渉光のうち、−Ｚ方向に直進する干渉光は、変調ミラー１６で反射された後、受光部１７に入射する。受光部１７の各受光素子は、入射した干渉光の光強度に対応する信号を出力する。
【００１３】
受光部１７に入射する干渉光は、その受光面上に干渉縞を形成する。この干渉縞は、正弦波形となり、その正弦波形の位相が、インデックス回折格子１３に対する移動回折格子１５の相対変位に対応している。受光部１７の各受光素子（それぞれ受光素子１〜ｎとする）は、それぞれが受光した干渉縞の光強度に相当する干渉信号Ｉnを出力する。上述したように、変調ミラー１６は、所定の周期信号に従って回転振動しているので、受光部１７の受光面上の干渉縞もその所定の周期信号に従ってＺ軸方向に振動するようになる。
【００１４】
図２には、受光部１７の各受光素子で受光される干渉信号Ｉnを説明するための図が示されている。変調ミラー１６は、正弦波状に振動しており、所定の周期信号を正弦波としている。ここで、この振動の角周波数をωとし、受光面上における干渉縞の振動振幅をε（片振幅ε／２）とする。ｔは、時間軸である。この場合、図２に示されるように、例えばｘ＝ｘ１に位置する受光素子では、太い矢印で示した範囲εの干渉縞の光強度の変動が繰り返し観測されるようになる。すなわち、ｘ＝ｘ１の位置する受光素子で観測される干渉信号Ｉnは、図２に示されるように、片振幅ε／２、角周波数ωの正弦波で変調された信号となる。なお、実際には、干渉縞はＺ軸方向に振動するが、この干渉縞は、本来、変調ミラー１６がなければ、Ｘ軸方向に形成される干渉縞であるため、図２では、横軸をＺ軸ではなく、Ｘ軸としている。
【００１５】
図３（Ａ）〜図３（Ｅ）には、インデックス回折格子１３と、移動回折格子１５との相対変位（本実施形態では、変位を角度表現で示す）を表す異なる５つの位相ｘでの、干渉信号Ｉnの変調の様子が示されている。図３（Ａ）には、ｘ＝−８１°であるときの干渉信号Ｉnの時間変化波形が示され、図３（Ｂ）には、ｘ＝−３６°であるときの干渉信号Ｉnの時間変化波形が示され、図３（Ｃ）には、ｘ＝０°であるときの干渉信号Ｉnの時間変化波形が示され、図３（Ｄ）には、ｘ＝＋３６°であるときの干渉信号Ｉnの時間変化波形が示され、図３（Ｅ）には、ｘ＝＋８１°であるときの干渉信号Ｉnの時間変化波形が示されている。
【００１６】
図３（Ａ）〜図３（Ｅ）にそれぞれ示されるように、それぞれの移動で、干渉信号Ｉnの時間変化波形は異なるようになり、その信号波形から、干渉縞の位相を検出することが可能であるのがわかる。また、位相の正負により、干渉信号Ｉnの時間変化波形は、対称的な波形となる。例えば、図３（Ｂ）に示されるｘ＝−３６°の変調波形と、図３（Ｄ）に示されるｘ＝＋３６°の変調波形とでは、干渉信号Ｉnの時間変化波形は、対称となっている。このことから、この干渉信号Ｉnを解析すれば、移動回折格子の移動方向をも検出することが可能となるのがわかる。
【００１７】
干渉信号Ｉnは、ところで、位相変調された信号であるため、次式で表されるようになる。
Ｉn＝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）
＋・・・ …（１）
ここで、Ｊnは、ｎ次ベッセル展開係数であり、ｄは、変調度であり、２ｄ＝２πε／ｐである。ｐは、前述のとおり、インデックス回折格子１３、移動回折格子１５のピッチである。本実施形態では、２ｄ＝２．３であるものとする。
【００１８】
図１に戻り、エンコーダ１００の信号処理系は、検出装置１８と、変位検出装置１９と、変調制御装置２０と、回転駆動装置２１と、光量制御装置２２と、光源駆動装置２３と、発振回路２４とを備えている。
【００１９】
検出装置１８は、同期検波により、干渉信号Ｉnにおける変調信号（角周波数ω、振幅ε／２）を基本波とするその０次成分〜４次成分を抽出する。この同期検波は、発振回路２４から与えられるパルス信号に従って行われる。例えば、１次成分の同期検波は、角周波数ωのパルス信号（ｓｉｎωｔ）を用いて行われ、２次成分の同期検波は、ｓｉｎωｔとは、角周波数２ωのパルス信号（ｃｏｓ２ωｔ）を用いて行われる。
【００２０】
変位検出装置１９は、抽出された１次成分、２次成分を入力し、それらの成分と、ベッセル関数Ｊ1（２ｄ）、Ｊ2（２ｄ）の値を、上記式（１）に代入して、ｓｉｎ（４πｘ／ｐ）と、ｃｏｓ（４πｘ／ｐ）との値を算出し、出力する。この出力がエンコーダ１００の出力、すなわち、移動体の変位に関する情報となる。
【００２１】
変調制御装置２０は、抽出された１次成分〜４次成分を入力して、変調ミラー１６による変調度ｄをモニタし、そのモニタ結果に基づいて、その変調度（２ｄ＝２πε／ｐ）が目標値に一致するように、回転駆動回路２１を介して、変調ミラー１６の回転振動を制御する。これにより、変調度が一定値（例えば、２ｄ＝２．３）に保たれる。なお、この変調度の設定値２．３は、変位検出及び光量制御等を最も簡便にする値となっている。
【００２２】
光量制御装置２２は、抽出された干渉信号Ｉnの０次成分を入力し、その０次成分の変動が抑制されるように、光源駆動装置２３を介して光源１１を駆動制御する。これにより、光源１１から発せられる照明光の光量が一定値に保たれるようになる。
【００２３】
なお、検出装置１８、変調制御装置２０、回転駆動装置２１には、発振回路２４から出力された変調ミラー１６を回転振動させるための駆動信号に相当する信号（角周波数ω）が送られている。検出装置１８、変調制御装置２０及び回転駆動装置２１では、この駆動信号に基づいて、干渉信号Ｉnの各次成分の検出、変調度２ｄの制御、変調ミラー１６の駆動が行われる。
【００２４】
次に、エンコーダ１００の動作について説明する。まず、初期状態として、図３（Ｃ）に示されるように移動回折格子１５が、ｘ＝０°の状態にあるとする。この場合、干渉信号Ｉnとして、図３（Ｃ）に示されるような信号波形が、受光部１７から出力される。検出装置１８は、干渉信号Ｉnからその１次成分と２次成分とを検出し、それらの成分を、変位検出装置１９に送る。変位検出装置１９は、エンコーダ１００の出力としてｘ＝０°を出力するようになる。また、この間、検出装置１８は、変調制御装置２０に対し０次成分〜４次成分を送るとともに、光量制御装置２２に対し、０次成分を送る。変調制御装置２０及び光量制御装置２２の制御により、変調度ｄ及び光量が一定に保たれる。
【００２５】
次に、図３（Ｂ）に示されるように、不図示の移動体の移動に伴って移動回折格子１５がｘ＝−３６°の位置に移動したものとする。この場合、干渉信号Ｉnとして、図３（Ｂ）に示されるような信号波形が、受光部１７から出力される。検出装置１８は、この干渉信号Ｉnから１次成分と、２次成分とを検出し、それらの成分を、変位検出装置１９に送る。この場合、変位検出装置１９は、エンコーダの出力としてｘ＝−３６°を出力するようになる。また、この間も、検出装置１８は、変調制御装置２０に対して０次成分〜４次成分を送るとともに、光量制御装置２２に対して０次成分を送る。変調制御装置２０及び光量制御装置２２の制御により、変調度ｄ及び光量が一定に保たれる。
【００２６】
このようにして、常時、変位検出装置１９によって、インデックス回折格子１３に対する移動回折格子１５の相対変位に関する情報が常時検出され、例えば移動体の位置制御などに用いられる。
【００２７】
以上詳細に述べたように、本実施形態に係る光学式のエンコーダ１００によれば、受光部１７は、インデックス回折格子１３に対する移動回折格子１５の相対変位に関する情報に対応する光強度分布が変調された状態で、その干渉光を受光する。そして、この変調された干渉信号Ｉn、すなわち不図示の移動体の変位に関する情報が含まれている周期的な光強度分布の位相変調結果に基づいて、不図示の移動体の相対変位及び方向を検出している。このようにすれば、インデックス回折格子１３及び移動回折格子１５の形成精度や各回折格子の姿勢が、エンコーダの出力に影響を与えないようにすることができる。また、干渉光の光強度分布を高調波で変調するので、周波数に比例して小さくなくなるいわゆる１／ｆ雑音などを低減し、そのＳ／Ｎ比を向上させることができる。
【００２８】
また、本実施形態によれば、変調ミラー１６は、その干渉光の偏向方向を周期的に変動させ、受光部１７では、周期的に変動する干渉光の偏向方向に沿って複数の受光素子が配置されている。このようにすれば、干渉光の光強度分布の変調状態を受光部１７において検出することができる。
【００２９】
また、本実施形態では、干渉光の光強度分布の変調は、変調ミラー１６と、その変調ミラー１６の回転量を周期的に変動させる回転駆動装置２１とによって実現される。なお、本実施形態では、変調ミラー１６を、回転振動するものとしたが、これには限られず、変調ミラーとして、Ｚ軸方向に平行に振動するようなミラーを用いるようにしてもよい。また、ミラーの代わりに、プリズムや回折格子を用いても良い。要は、受光部１７の前に、干渉光の光路を周期的に変動させるような光学素子と、その光学素子を振動させる駆動装置とがあればよい。
【００３０】
なお、本実施形態では、受光部１７が、多分割の受光素子であるものとしたが、本発明はこれには限られない。例えば、受光部１７の受光素子は単一のものとしても、その受光素子の大きさを、多分割の受光素子の１つ１つの画素と同等の大きさとすれば、変調された光強度分布の変調状態を検出可能となり、本実施形態と同様にして、インデックス回折格子１３に対する移動回折格子１５の相対変位を検出することが可能となる。
【００３１】
なお、光学式エンコーダで、照明光を変調して移動体の変位やその移動方向を検出する方法として、例えば、インデックス回折格子１３をＸ軸方向に振動させたり、インデックス回折格子１３で生じた±１次回折光の一方の位相を変調するなどして、回折格子で生じた一方の回折光を変調する方法も採用することができるが、本実施形態では、受光部１７の受光素子に入射する干渉光の光強度分布を振動させ、その位相変調を行っている。このようにすれば、移動回折格子１５に関し、光路の上流側ではなく、光路の下流側、例えば、受光素子の直前で変調を行うこととなるので、受光結果における、変調機構の機械的なドリフトなどの影響を極力低減することができる。
【００３２】
≪第２の実施形態≫
次に、本発明の第２の実施形態について図４〜図７（Ｃ）を参照して説明する。図４には、本実施形態に係るエンコーダ１０１の構成が概略的に示されている。本実施形態に係るエンコーダ１０１は、変調ミラー１６の変わりに、固定のミラー１６’を備え、ミラー１６’と受光部１７との間に、空間フィルタ２５が挿入されており、回転駆動装置２１の代わりにフィルタ駆動装置２１’を備えており、受光部１７の代わりに、受光部１７’を備えている点が、上記第１の実施形態に係るエンコーダ１００の構成と異なる。したがって、以下においては、重複記載を防止する観点から、これらの装置及びそれぞれの構成各部については上記第１の実施形態と同一の符号を用いるとともに、主として、上記第１の実施形態と処理内容が異なる部分について説明する。また、図４では、光量制御装置２２、光源駆動装置２３などの光量制御系、変調制御装置２０などの変調制御系などについては、上記第１の実施形態と同様であるため、特に図示していない。
【００３３】
本実施形態では、ミラー１６’が固定となっているので、空間フィルタ２５に入射する光強度分布は変調されていない。空間フィルタ２５は、その入射する光の透過率分布を調整可能なフィルタである。フィルタ駆動装置２１’は、所定の周期信号に従って、空間フィルタ２５の透過率分布を変更する。受光部１７’は、多分割受光素子ではなく、単一の受光素子を有している。
【００３４】
図５には、空間フィルタ２５と、フィルタ駆動装置２１’との詳細な構成が示されている。空間フィルタ２５は、一列に配置された複数の領域に分割されており、領域毎に、透過率を設定可能なスリットシャッタ方式のフィルタである。このような空間フィルタとしては、例えば液晶方式のものを用いることができる。本実施形態では、説明を簡単にするために、空間フィルタ２５の各領域は、干渉光の光強度分布の１／４周期に対応するものとしている。したがって、連続する４つの領域が、干渉光の光強度分布の１周期分に相当するようになる。しかしながら、本発明がこれには限られず、１周期分の領域数は、任意に設定できる。
【００３５】
図５に示されるように、フィルタ駆動装置２１’は、シフトレジスタ３１と、４つの駆動装置３２と、シフト方向設定回路３３とを備えている。シフトレジスタ３１の各レジスタは、フリップフロップ回路で構成されており、そのレジスタの数は４ビットである。すなわち、シフトレジスタ３１のビット数は、干渉光の光強度分布の１周期分の空間フィルタ２５の領域の数に相当する。シフトレジスタ３１の各レジスタの内容は、発振回路２４（図４参照）から入力されるクロック信号にしたがって、１ビットずつシフトする。シフトレジスタ３１は、双方向のシフトレジスタであり、シフト方向設定回路３３からの入力により、そのシフト方向が右であるか左であるかが決定される。シフト方向設定回路３３は、クロック信号が３つのシフトするごとに、シフト方向を逆（左→右、右→左）に変更する。図５では、シフトレジスタ３１に、１、０、０、０がセットされている。
【００３６】
シフトレジスタ３１の各レジスタに設定された値に相当する信号は、各駆動装置３２にそれぞれ出力されている。各駆動装置３２の出力は、空間フィルタ２５の幾つかの領域に接続されている。空間フィルタ２５の各領域は、３つ置きに（光強度分布の周期で）、同一の駆動装置３２に接続されている。各駆動装置３２は、入力されたビットの値が１である場合には、空間フィルタ２５の透過率を１００％に設定し、０である場合には、対応する空間フィルタ２５の領域の透過率を０％に設定する。図５では、透過率が０％に設定された領域がグレイ表示されている。
【００３７】
図６（Ａ）〜図７（Ｃ）には、シフトレジスタ３１による、空間フィルタ２５の制御の様子が示されている。図６（Ａ）〜図６（Ｄ）に示されるように、シフトレジスタのデータが、右にシフトして、１、０、０、０→０、１、０、０→０、０、１、０→０、０、０、１と変遷していくにつれて、空間フィルタ２５において、光を透過させる領域も、１つずつ右にシフトしていくようになる。すなわち、シフトレジスタ３１の各レジスタの内容が１ビットずつ右にシフトしていくと、空間フィルタ２５を通過する干渉光の光強度分布の位相が右に９０度ずつずれていくようになる。
【００３８】
この後、シフト方向設定回路３３により設定されるシフト方向の設定が、右から左に変更されると、図７（Ａ）、図７（Ｂ）に示されるように、シフトレジスタ３１の各レジスタの内容は、０、０、１、０→０、１、０、０と進むようになる。これに従って、空間フィルタ２５において、干渉光を透過させる領域も、１つずつ左にシフトしていくようになる。すなわち、シフトレジスタ３１のレジスタの内容が１ビットずつ左にシフトしていくと、空間フィルタ２５を通過する光強度分布の位相は、左に９０度ずつずれていくようになる。
【００３９】
この後、シフトレジスタ３１のレジスタの内容は、図７（Ｃ）（すなわち図６（Ａ）と同じ状態）に示される状態に戻り、再び、図６（Ａ）〜図７（Ｃ）に示される状態が繰り返されることになる。すなわち、この空間フィルタ２５では、通過する位相の光が、シフトレジスタ３１の左右データシフトにより、左右に９０度ずつずれていくようになり、受光部１７’では、空間フィルタ２５を通過した同位相の光を受光し、その強度信号を出力するようになる。この結果、受光部１７’から出力される信号は、干渉光の光強度分布が、シフトレジスタ１３のデータシフトに基づいて変調された信号となる。上述したシフトレジスタ３１のデータシフトは、発振回路２４から送られたクロック信号によって一定間隔で行われるため、この変調は、三角波信号による干渉光の光強度分布の変調であるとみなすことができる。
【００４０】
上記第１の実施形態では、正弦波によって干渉光の光強度分布を変調したが、本実施形態では、上述したように、三角波によって干渉光の光強度分布を変調している。このように、変調信号が三角波であっても、正弦波の場合と同様にして、位相変調が行われた干渉光の光強度分布を変調して移動回折格子１５の変位を検出することができる。なお、シフトレジスタ３１のデータシフトを、一定のクロック信号で行わずに、正弦波状のタイミングでデータシフトを行えば、本実施形態における変調は、上記第１の実施形態と同様の、正弦波信号による光強度分布の位相変調であるとみなすことができる。
【００４１】
以上詳細に述べたように、本実施形態に係るエンコーダ１０１では、透過率分布が変動する空間フィルタ２５を用いて、移動体の変位量に関する情報が含まれる干渉光の光強度分布の変調を行う。この空間フィルタ２５は、干渉光の光強度分布に同期した透過率分布を有し、その透過率分布を周期的に変動させているため、その空間フィルタ２５を同時に通過する光は、干渉光の光強度分布の特定の位相における光のみとなる。本実施形態では、空間フィルタ２５における透過率分布を調整し、透過する光強度分布の位相を周期的に変動させて、光強度分布の変調が実現される。
【００４２】
この空間フィルタ２５は、干渉光の光路上に配置されたスリットシャッタ方式のフィルタであり、このフィルタの明暗部（すなわち、透過率が０％の領域と１００％の領域）をフィルタ駆動装置２１’の駆動で周期的に変動させることにより、干渉光の光強度分布の変調が実現されている。しかしながら、その明暗部のピッチが、干渉光の光強度分布の周期の整数分の一となっている空間フィルタを、干渉光の光強度分布に沿って機械的に振動させるようにしてもよい。また、このような空間フィルタは、１本のスリットを有するものであってもよい。
【００４３】
≪第３の実施形態≫
次に、本発明の第３の実施形態について、図８〜図１０に基づいて説明する。図８には、本実施形態に係るエンコーダ１０２の構成が概略的に示されている。本実施形態に係るエンコーダ１０２は、受光部１７’の代わりに、受光部１７’’を備え、ミラー１６’と受光部１７との間に空間フィルタ２５が挿入されていない点と、処理系の構成とが、上記第２の実施形態に係るエンコーダ１０１と異なる。したがって、以下においては、重複記載を防止する観点から、これらの装置及びそれぞれの構成各部については上記第２の実施形態と同一の符号を用いるとともに、主として、上記第２の実施形態と処理内容が異なる部分について説明する。
【００４４】
エンコーダ１０２での処理系は、発振回路２４と、切換装置２７と、検出装置２８とを備えている。図９には、切換装置２７の詳細な構成が示されている。図９に示されるように、選択回路４０と、切換回路４１、４２と、減算器４３と、増幅器４４と、フィルタ４５とを備えている。図９に示されるように、受光部１７’’は、連続して配置された４つのフォトダイオード等の受光素子Ａ〜Ｄを有している。この４つの受光素子Ａ〜Ｄで形成される受光面の幅が、干渉光の光強度分布の１周期に相当する。
【００４５】
選択回路４０には、発振回路２４からのクロック信号が入力されている。選択回路４０は、このクロック信号に基づいて、２ビットの信号を、切換回路４１、４２に出力している。具体的には、選択回路４０は、２進数で、００（すなわち０）、０１（すなわち１）、１０（すなわち、２）、１１（すなわち３）の値の信号を、一定の周期で、繰り返し出力している。
【００４６】
切換回路４１、４２は、それぞれ４つのスイッチ４１1〜４１4、４２1〜４２4を備えている。４つのスイッチ４１1〜４１4、４２1〜４２4は、同時に１つのスイッチしかクローズすることができないようになっている。切換回路４１、４２には、選択回路４０からの２ビットの信号が入力されており、切換回路４１では、この信号の値に従って、一定の周期で、クローズするスイッチが、スイッチ４１1→４１2→４１3→４１4の順で繰り返し切り替わり、切換回路４２では、クローズするスイッチが、スイッチ４２1→４２2→４２3→４２4の順で繰り返し切り替わっている。
【００４７】
スイッチ４１1、４２1がクローズされている期間を、期間ａとする。この場合、切換回路４１からは受光素子Ａで検出された光強度に相当する電流信号が出力される。この受光素子Ａで検出された光強度に相当する電流信号の値は、インデックス回折格子１３と、移動回折格子１５との相対変位ｘに関する−ｓｉｎｘを表している。また、切換回路４２からは、受光素子Ｃで検出された光強度に相当する電流信号が出力される。この受光素子Ｃで検出された光強度に相当する信号の値は、インデックス回折格子１３と、移動回折格子１５との相対変位ｘに関するｓｉｎｘを表している。これらの出力は、期間ａでホールドされた状態となる。減算器４３では、切換回路４１の出力値から、切換回路４２の出力値が減算された値の電流信号が出力される。増幅器４４では、この出力値の１／２の値に相当する電流信号が出力される。この信号の値は、−ｓｉｎｘとなる。
【００４８】
同様に、スイッチ４１2、４２2がクローズされている期間を期間ｂとする。この場合、切換回路４１からは受光素子Ｂによって検出された光強度に相当する電流信号が出力される。この受光素子Ｂで検出された光強度に相当する電流信号の値は、インデックス回折格子１３と、移動回折格子１５との相対変位ｘに関する−ｃｏｓｘを表している。また、切換回路４２からは、受光素子Ｄで検出された光強度に相当する電流信号が出力される。この受光素子Ｄで検出された光強度に相当する電流信号の値は、インデックス回折格子１３と、移動回折格子１５との相対変位ｘに関するｃｏｓｘを表している。この結果、増幅器４４からは、−ｃｏｓｘの値に相当する電流信号が出力されるようになる。
【００４９】
同様に、スイッチ４１3、４２3がクローズされている期間を期間ｃとする。この場合、切換回路４１からは受光素子Ｃからのｓｉｎｘに相当する電流信号が出力され、切換回路４２からは、受光素子Ａからの−ｓｉｎｘに相当する電流信号が出力される。この結果、増幅器４４からは、ｓｉｎｘの値に相当する電流信号が出力されるようになる。同様に、スイッチ４１4、４２4がクローズされている期間を期間ｄとする。この場合、切換回路４１からは受光素子Ｄからのｃｏｓｘに相当する電流信号が出力され、切換回路４２からは、受光素子Ｂからの−ｃｏｓｘに相当する電流信号が出力される。この結果、増幅器４４からは、ｃｏｓｘの値に相当する電流信号が出力されるようになる。
【００５０】
図１０には、このサンプルホールドされた電流信号が示されている。このサンプルホールドされた電流信号は、ローパスフィルタ４５に入力される。ローパスフィルタ４５の出力は、図１０に示されるように正弦波状の電流信号となる。図８に戻り、ローパスフィルタ４５の出力は、検出装置２８のＩ−Ｖコンバータ５０に入力される。Ｉ−Ｖコンバータ５０は、切換装置２７から出力された正弦波状の電流信号を電圧信号に変換して出力する。検出装置２８では、Ｉ−Ｖコンバータ５０から出力された電圧信号に基づいて、インデックス回折格子１３に対する移動回折格子１５の相対変位量ｘが検出され、エンコーダ１０２の出力として出力される。
【００５１】
このエンコーダ１０２の光学系は、いわゆるホモダイン光学系であり、周波数変調などを行っていないため、ＦＭ雑音について考慮する必要はなく、ＩＭ雑音についても、ＡＰＣ帯域を上げることで低減が可能である。したがって、このエンコーダ１０２においては、干渉光を受光してから変位情報を検出するまでの処理回路中におけるノイズの主な発生源は、検出装置２８のＩ−Ｖコンバータ５０となる。このＩ−Ｖコンバータ５０では、いわゆる１／ｆ雑音が発生する。本実施形態では、受光信号を、Ｉ−Ｖコンバータ５０で変換する前に、切換装置２７において、受光部１７’’で受光された干渉光の光強度分布に相当する信号を電気的に変調する。このようにすれば、Ｉ−Ｖコンバータ５０で発生する１／ｆ雑音を低減してＳ／Ｎ比を向上させることができるようになり、エンコーダ１０２における変位の検出精度が向上する。なお、本実施形態において、切換装置により実現される光強度分布に相当する信号の電気的な変調は、のこぎり波による光強度分布に相当するものである。
【００５２】
なお、上記各実施形態では、それぞれ、正弦波、三角波、のこぎり波による変調であったが、変調信号は周期信号であればよい。また、上記各実施形態に係るエンコーダは、すべて回折光干渉方式のエンコーダであるものとしたが、これらのエンコーダは、影絵方式のエンコーダであってもよい。また、リニアエンコーダだけでなく、ロータリーエンコーダにも本発明を適用することができることは勿論である。また、ミラー１４Ａ、１４Ｂの代わりに、±１次回折光を、移動回折格子１５上の同一位置に偏向させるガラスブロックなどの光学素子を備えるようにしてもよい。また、インデックス回折格子１３及び移動回折格子１５の一方は、反射型の回折格子であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明のエンコーダは、物体の変位情報を検出するのに適している。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るエンコーダの構成を示す概略図である。
【図２】受光素子で検出される干渉信号の一例を示す図である。
【図３】図３（Ａ）は、ｘ＝−８１°であるときの干渉信号Ｉnの時間変化波形が示す図であり、図３（Ｂ）は、ｘ＝−３６°であるときの干渉信号Ｉnの時間変化波形を示す図であり、図３（Ｃ）は、ｘ＝０°であるときの干渉信号Ｉnの時間変化波形を示す図であり、図３（Ｄ）は、ｘ＝＋３６°であるときの干渉信号Ｉnの時間変化波形を示す図であり、図３（Ｅ）は、ｘ＝＋８１°であるときの干渉信号Ｉnの時間変化波形を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係るエンコーダの構成を示す概略図である。
【図５】フィルタ駆動装置と、空間フィルタとの詳細な構成を示す図である。
【図６】図６（Ａ）は、シフトレジスタと、空間フィルタの透過率の関係を示す図であり（その１）、図６（Ｂ）は、シフトレジスタと、空間フィルタの透過率の関係を示す図であり（その２）、図６（Ｃ）は、シフトレジスタと、空間フィルタの透過率の関係を示す図であり（その３）、図６（Ｄ）は、シフトレジスタと、空間フィルタの透過率の関係を示す図である（その４）。
【図７】図７（Ａ）は、シフトレジスタと、空間フィルタの透過率の関係を示す図であり（その５）、図７（Ｂ）は、シフトレジスタと、空間フィルタの透過率の関係を示す図であり（その６）、図７（Ｃ）は、シフトレジスタと、空間フィルタの透過率の関係を示す図である（その７）。
【図８】本発明の第３の実施形態に係るエンコーダの構成を示す概略図である。
【図９】切換装置及び検出装置の詳細な構成を示す図である。
【図１０】出力信号の波形を示す図である。
【符号の説明】
【００５５】
１１…光源、１２…コリメータレンズ、１３…インデックス回折格子、１４Ａ、１４Ｂ…ミラー、１５…移動回折格子、１６…変調用ミラー、１６’…ミラー、１７、１７’、１７’’…受光装置、１８…検出装置、１９…変調検出装置、２０…変調制御装置、２１…回転駆動装置、２３…光源駆動装置、２４…発振回路、２７…切換装置、２８…検出装置、３１…シフトレジスタ、３２…駆動装置、３３…シフト方向設定装置、４０…選択回路、４１、４２…切換回路、１００、１０１、１０２…エンコーダ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動体の変位に関する情報を検出するエンコーダであって、
前記移動体の変位に関する情報に対応した光強度分布を変調する変調装置と；
前記変調された光強度分布を有する光を受光し、その受光結果に応じた信号を出力する受光装置と；を備えるエンコーダ。
【請求項２】
前記変調装置は、
前記光強度分布を有する光を所定方向に周期的に変動させ、
前記受光装置は、
前記所定方向に沿って配置された複数の受光素子を有することを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ。
【請求項３】
前記変調装置は、
前記光を偏向させる光学素子と；
前記光学素子の位置又は姿勢を周期的に変動させる駆動素子と；を備えることを特徴とする請求項２に記載のエンコーダ。
【請求項４】
前記変調装置は、
前記光強度分布に対応した透過率分布を有し、該透過率分布の位相を周期的に変動させる空間フィルタであることを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ。
【請求項５】
前記空間フィルタは、
前記光の光路上に配置されたスリットシャッタと；
該スリットシャッタの明暗部を周期的に変動させる駆動装置と；を備えることを特徴とする請求項４に記載のエンコーダ。
【請求項６】
移動体の変位に関する情報を検出するエンコーダであって、
前記移動体の変位に関する情報に対応した光強度分布を、複数の受光素子で受光し、その受光結果に応じた信号を受光素子毎に出力する受光装置と；
前記複数の受光素子の出力信号を、所定の周期信号に従って、時系列信号に変調する変調装置と；
前記時系列信号を、前記移動体の変位に関する情報を検出するための信号に変換するコンバータと；を備えるエンコーダ。
【請求項７】
前記光強度分布は、
前記移動体の変位方向に沿って周期的に変動する強度分布を有し、
前記複数の受光素子は、前記光強度分布の周期の整数倍に対応する範囲で配置されることを特徴とする請求項６に記載のエンコーダ。
【請求項８】
前記変調装置は、
前記所定の周期信号に従って、前記光強度分布の１周期に対応する前記複数の受光素子の出力信号のうちのいずれか１つの出力信号を選択する選択回路と；
前記選択された出力信号を、所定のサンプリング周期でサンプルホールドするサンプルホールド回路と；を備えることを特徴とする請求項７に記載のエンコーダ。
【請求項１】
移動体の変位に関する情報を検出するエンコーダであって、
前記移動体の変位に関する情報に対応した光強度分布を変調する変調装置と；
前記変調された光強度分布を有する光を受光し、その受光結果に応じた信号を出力する受光装置と；を備えるエンコーダ。
【請求項２】
前記変調装置は、
前記光強度分布を有する光を所定方向に周期的に変動させ、
前記受光装置は、
前記所定方向に沿って配置された複数の受光素子を有することを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ。
【請求項３】
前記変調装置は、
前記光を偏向させる光学素子と；
前記光学素子の位置又は姿勢を周期的に変動させる駆動素子と；を備えることを特徴とする請求項２に記載のエンコーダ。
【請求項４】
前記変調装置は、
前記光強度分布に対応した透過率分布を有し、該透過率分布の位相を周期的に変動させる空間フィルタであることを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ。
【請求項５】
前記空間フィルタは、
前記光の光路上に配置されたスリットシャッタと；
該スリットシャッタの明暗部を周期的に変動させる駆動装置と；を備えることを特徴とする請求項４に記載のエンコーダ。
【請求項６】
移動体の変位に関する情報を検出するエンコーダであって、
前記移動体の変位に関する情報に対応した光強度分布を、複数の受光素子で受光し、その受光結果に応じた信号を受光素子毎に出力する受光装置と；
前記複数の受光素子の出力信号を、所定の周期信号に従って、時系列信号に変調する変調装置と；
前記時系列信号を、前記移動体の変位に関する情報を検出するための信号に変換するコンバータと；を備えるエンコーダ。
【請求項７】
前記光強度分布は、
前記移動体の変位方向に沿って周期的に変動する強度分布を有し、
前記複数の受光素子は、前記光強度分布の周期の整数倍に対応する範囲で配置されることを特徴とする請求項６に記載のエンコーダ。
【請求項８】
前記変調装置は、
前記所定の周期信号に従って、前記光強度分布の１周期に対応する前記複数の受光素子の出力信号のうちのいずれか１つの出力信号を選択する選択回路と；
前記選択された出力信号を、所定のサンプリング周期でサンプルホールドするサンプルホールド回路と；を備えることを特徴とする請求項７に記載のエンコーダ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００７−２８５７１７（Ｐ２００７−２８５７１７Ａ）
【公開日】平成１９年１１月１日（２００７．１１．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１０９８９８（Ｐ２００６−１０９８９８）
【出願日】平成１８年４月１２日（２００６．４．１２）
【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１９年１１月１日（２００７．１１．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年４月１２日（２００６．４．１２）
【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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