JP3803607B2

JP3803607B2 - ２次元エンコーダ

Info

Publication number: JP3803607B2
Application number: JP2002112279A
Authority: JP
Inventors: 昌服部
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2002-04-15
Filing date: 2002-04-15
Publication date: 2006-08-02
Anticipated expiration: 2022-04-15
Also published as: JP2003307439A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、相対する２物体の所定平面上におけるＸ方向およびＹ方向への相対変位量を測定する光学式の２次元エンコーダに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来よりテーブル等の正確な位置決めを必要とするフライス盤や旋盤のような各種機器には、その位置決めのために光学式のエンコーダが広く用いられており、特に、直線方向への相対変位量を測定する１次元（直線）エンコーダが広く用いられている。この従来の１次元エンコーダの構成および動作を以下に例示して説明する。
【０００３】
この従来の１次元エンコーダは、平行光を発する光源と、光源からの光を所定の間隔で開口されているスリットにて透過するメインスケールと、このメインスケールに対向して設けられており、メインスケールからの光を同一方向へ同様に開口されているスリットにて透過するインデックススケールと、このインデックススケールからの光を検知して電気信号に変換する光検知器と、光検知器からの電気信号に対して所定の信号処理を行う信号処理部とを備える。この従来の１次元エンコーダのメインスケールは、測定対象である例えばテーブルと連動して、そのスリットの長手方向に対して垂直な方向へ移動する。また、インデックススケールは、テーブルと連動しない位置に固定されており、メインスケールの移動によりその相対位置が変化する。
【０００４】
初期状態では、メインスケールおよびインデックススケールのそれぞれのスリットは、光源から見て互いに重なり合う位置にある。したがって、光源から発せられメインスケールのスリットにて透過された平行光は、すべてインデックススケールのスリットにて透過され、インデックススケールのスリット以外の部分に遮られることはない。また、メインスケールにおけるスリット以外の光を透過しない部分は、インデックススケールに影を形成するが、この影がインデックススケールのスリットにかかることもない。光検知器は、このような初期状態において最大値の電気信号を出力する。
【０００５】
初期状態からメインスケールがスリット間隔以下の距離を移動すると、メインスケールおよびインデックススケールのそれぞれのスリットの一部は、光源から見て重なり合う。したがって、光源から発せられメインスケールのスリットにて透過された平行光のうち、その一部の光はインデックススケールのスリットにて透過され、残りの光はインデックススケールのスリット以外の部分に遮られる。また、メインスケールにおけるスリット以外の光を透過しない部分が形成する影は、インデックススケールのスリットにかかる。光検知器は、このような状態において最大値より小さい値の電気信号を出力する。
【０００６】
さらにメインスケールがスリット間隔に等しい距離を移動すると、メインスケールおよびインデックススケールのそれぞれのスリットは、光源から見て互いに重なり合わなくなる。したがって、光源から発せられメインスケールのスリットにて透過された平行光は、全くインデックススケールのスリットにて透過されることなく、インデックススケールのスリット以外の部分に遮られる。また、メインスケールにおけるスリット以外の光を透過しない部分が形成する影は、全てインデックススケールのスリットにかかる。光検知器は、このような状態においてほぼ０である最小値の電気信号を出力する。
【０００７】
このように、メインスケールがスリット間隔に等しい距離を移動する毎に、光検知器は、ピーク値から最小値まで値が周期的に変化する信号を出力する。信号処理部は、この周期信号のピーク数をカウントする。この数から、メインスケールがスリット間隔に等しい距離の何倍を移動したかが測定される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の１次元エンコーダにより２次元的な変位量を計測するには、例えばＸ軸用およびＹ軸用の２つの独立したテーブルを設け、それらのテーブル毎に１次元エンコーダを設置する必要がある。しかし、このようなテーブルを設ける構成を実現するには困難な場合があり、また例えば数ｍｍ四方の領域における位置決めを行う際には１つのテーブルの当該領域における２次元的な変位量を測定したい場合がある。これのような場合には、従来の１次元エンコーダにより２次元的な変位量を計測することができない。
【０００９】
また、Ｘ軸用およびＹ軸用のインデックススケールのスリットを互いに直交するように配置し、初期状態におけるメインスケールのスリットの位置がこれらのインデックススケールのスリットの位置で光源から見て重なり合うように、メインスケールのスリットを格子状に配置する２次元エンコーダの構成も考えられる。しかし、このように構成すれば、Ｘ軸用のインデックススケールのスリットに対しては、これに直交するメインスケールのスリットにて透過される光（以下「バイアス光」と称する）が必ず透過されるという干渉が生じる。このことはＹ軸用のインデックススケールのスリットについても同様である。このことにより、各スリットにて透過される光量の最小値はバイアス光の光量まで増加するため、各スリットにて透過される光量の増減幅は、１次元エンコーダの構成の場合に比べて小さく（典型的には半分に）なり、光検知器から出力される信号のＳ／Ｎ（信号対雑音比）が大きく低下する。したがって、信号処理部の処理精度が低下し、エンコーダ自体の計測精度が下がることになる。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、各軸用のインデックススケールのスリットに対して、これに直交するメインスケールのスリットにて透過されるバイアス光を低減して、光検知器から出力される信号のＳ／Ｎ（信号対雑音比）を向上させた高精度な２次元エンコーダを提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
第１の発明は、相対する２物体の所定平面上における第１の方向であるＸ方向および第２の方向であるＹ方向への相対変位量を測定する２次元エンコーダであって、
所定の波長λのコヒーレントな光を発する光源と、
前記２物体の一方に設けられ、前記Ｘ方向へ第１の周期ｐで繰り返され前記Ｙ方向へ前記第１の周期ｐとは異なる第２の周期ｑで繰り返される周期パターンにより前記光源が発する光を透過または反射するメインスケールと、
前記２物体の他方に設けられ、前記メインスケールが有する前記Ｘ方向へ繰り返される周期パターンが結像しかつ前記Ｙ方向へ繰り返される周期パターンが結像しない第１の距離だけ前記メインスケールから離れており、前記メインスケールが透過または反射する光を前記Ｘ方向への相対変位量に応じた光量だけ透過または反射する第１のインデックススケールと、
前記２物体の他方に設けられ、前記メインスケールが有する前記Ｘ方向へ繰り返される周期パターンが結像せずかつ前記Ｙ方向へ繰り返される周期パターンが結像する第２の距離だけ前記メインスケールから離れており、前記メインスケールが透過または反射する光を前記Ｙ方向への相対変位量に応じた光量だけ透過または反射する第２のインデックススケールと、
前記第１のインデックススケールにより透過または反射された光を検知することにより第１の電気信号を出力する第１の受光素子と、
前記第２のインデックススケールにより透過または反射された光を検知することにより第２の電気信号を出力する第２の受光素子と、
前記第１および第２の受光素子から出力される前記第１および第２の電気信号に基づき、前記Ｘ方向および前記Ｙ方向への相対変位量を示す信号を出力する信号処理手段と
を備えることを特徴とする。
【００１２】
このような第１の発明によれば、第１のインデックススケールにはメインスケールが有するＹ方向へ繰り返される周期パターンが結像せず、第２のインデックススケールにはＸ方向へ繰り返される周期パターンが結像しないため、これらのインデックススケールに対して不要なバイアス光による影響を受けず、光検知器が受光する光量の増減幅が大きくなるため、光検知器から出力される信号のＳ／Ｎが向上した高精度な２次元エンコーダを提供することができる。
【００１３】
第２の発明は、第１の発明において、
前記第１の距離は、ｐ² ・λ・ｍ／２（ｍは自然数）から選ばれる値に基づいて算出され、
前記第２の距離は、ｑ² ・λ・ｎ／２（ｎは自然数）から選ばれる値に基づいて算出されることを特徴とする。
【００１４】
このような第２の発明によれば、第１および第２のインデックススケールがメインスケールからタルボット距離またはフラクショナルタルボット距離だけ離れた距離に設けられる構成により、メインスケールと第１または第２のインデックススケールの距離が０である場合と同様に、メインスケールのパターンを第１または第２のインデックススケールに結像させることができる。
【００１５】
第３の発明は、第１の発明において、
前記第１の周期ｐおよび第２の周期ｑは、２：３または３：２の比となる値から選ばれることを特徴とする。
【００１６】
このような第３の発明によれば、信号処理手段において一般的な回路構成を有する４逓倍回路および６逓倍回路を用いることができるので、信号処理手段を簡易な構成にすることができる。
【００１７】
第４の発明は、第１の発明において、
前記メインスケールに対して平行に設けられ、前記メインスケールからの光を透過する１より大きい屈折率ａの基材をさらに備え、
前記第１のインデックススケールは、前記基材における所定の第１の面に形成され、
前記第２のインデックススケールは、前記基材における前記第１の面と平行な第２の面に形成されることを特徴とする。
【００１８】
このような第４の発明によれば、第１および第２のインデックススケールが基材上に形成される構成である。この構成により、基材の位置を正確に調整すれば、各スケール間の距離を正確かつ容易に設定することができる。また、この構成により、基材に各インデックススケールが形成されない場合よりも光路長を変更することなく幾何学的な距離を短縮することができるので、装置全体をよりコンパクトに構成することができる。
【００１９】
第５の発明は、第４の発明において、
前記第１の面と前記第２の面との距離である前記基材の厚さは、｜ｐ² ｍ−ｑ² ｎ｜λ／（２ａ）（ｍ，ｎは自然数）から選ばれる値であることを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。
＜１．２次元エンコーダの構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係る２次元エンコーダの概略的な構成を示す側面図である。この２次元エンコーダは、波長λのコヒーレントな光を発するレーザ等の光源１０と、光源１０からの光を平行光にするコリメータレンズ２０と、コリメータレンズ２０からの平行光を反射して光路を変更する平面ミラー３０と、平面ミラー３０からの光を所定の間隔で配列されている格子状のパターンにて透過するメインスケール４０と、メインスケール４０からの光を透過する屈折率ａの基材５０と、メインスケール４０に対向する基材５０の所定面に形成されておりメインスケール４０からの光を所定の間隔で平行に配列されているスリットにて透過するＸ軸用インデックススケール６１と、メインスケール４０に対向する基材５０の所定面に平行な反対側の面に形成されておりメインスケール４０からの光を上記Ｘ軸用インデックススケール６１のスリットと異なる所定の間隔で直交する方向に平行に配列されているスリットにて透過するＹ軸用インデックススケール６２と、Ｘ軸用インデックススケール６１からの光を検知して電気信号Ｓｘに変換するＸ軸用光検知器７１と、Ｙ軸用インデックススケール６２からの光を検知して電気信号Ｓｙに変換するＹ軸用光検知器７２と、電気信号Ｓｘ，Ｓｙが入力されて所定の信号処理を行いＸ軸方向およびＹ軸方向の変位量を示す信号を出力する信号処理部８０とを備える。
【００２１】
メインスケール４０は、例えば薄いガラス基板上に光を反射しないマスクパターンを蒸着させて形成されており、位置決めが必要な測定対象である図示されないテーブルに固定されている。また、基材５０にはその所定面上にＸ軸用インデックススケール６１が、その反対側の平面ミラー３０から見て重ならない面上にＹ軸用インデックススケール６２がそれぞれ光を反射しないマスクパターンを蒸着させて形成されており、この基材５０は上記テーブルの移動の影響を受けない位置に固定されている。メインスケール４０がＸ軸方向およびＹ軸方向へ移動することにより、これらのＸ軸用インデックススケール６１およびＹ軸用インデックススケール６２とメインスケール４０との相対位置が変化する。
【００２２】
＜２．メインスケールおよびインデックススケールの構成および作用＞
図２は、Ｘ軸用インデックススケール６１およびＹ軸用インデックススケール６２のスリット構成を示す平面図であり、図３は、メインスケール４０のパターン構成を示す平面図である。なお、Ｘ軸方向は図の左右方向であり、Ｙ軸方向は図の上下方向である。また、光を透過しないマスクパターンに対応する部分には斜線が付されている。
【００２３】
図２（ａ）に示すＹ軸用インデックススケール６２のスリットは、Ｘ軸方向を長手方向としてＹ軸方向へ周期的に配列されており、隣接するスリットの中心線間の距離（以下「スリット間隔」または「周期」と称する）はｑである。また、図２（ｂ）に示すＸ軸用インデックススケール６１のスリットは、Ｙ軸方向を長手方向としてＸ軸方向へ周期的に配列されており、スリット間隔はｐである。さらに、図３に示すメインスケール４０は、Ｘ軸用インデックススケール６１のスリットとＹ軸用インデックススケール６２のスリットとが直交するように同一平面上において重ね合わせた場合に形成されるパターンと同一の形状を有する格子状の光透過部パターンを有している。したがって、メインスケール４０には、Ｘ軸用インデックススケール６１と同一のパターンと、Ｙ軸用インデックススケール６２と同一のパターンとが含まれることになる。そのことから、このメインスケール４０におけるＸ軸方向へ周期的に配列された光透過部の間隔はｐであり、Ｙ軸方向へ周期的に配列された光透過部の間隔はｑである。
【００２４】
次に、このメインスケール４０のパターンにより形成される像について説明する。平面ミラー３０からの光の直進性のみを考慮する場合、メインスケール４０が透過した光はどこまでも直進するので、メインスケール４０の格子状パターンはどの位置であっても同じ形状で結像するはずである。しかし、光の回折ないし干渉を考慮する場合、コヒーレントな平行光を受けた周期構造を有するパターンは、周期構造の周期をｄ、光の波長をλ、自然数をｎとするとき、タルボット距離ｚ＝ｄ² ・λ・ｎに結像することが知られている。この現象はタルボット（Ｔａｌｂｏｔ）効果と呼ばれる。このタルボット効果に関しては、例えば「Ｔａｌｂｏｔ効果」（ＯＰｌｕｓＥＶｏｌ．２３，Ｎｏ．５，ｐ６０３〜２００１年５月）などにおいて開示されており、詳しい説明は省略する。
【００２５】
また、上記パターンは、上記タルボット距離ｚの分数倍の距離であるフラクショナル（ｆｒａｃｔｉｏｎａｌ）タルボット距離にも結像することが知られている。この結像された像は、フラクショナルタルボット像と呼ばれる。このフラクショナルタルボット像は、通常、ｚ・（２ｎ−１）／２の距離に１／２の大きさで結像することが知られている。なお、上記パターンの形状によってはその他の距離（例えば３ｚ／８や７ｚ／２４などの距離）にも弱い強度で結像することがある。これらについては、例えば「Ｔａｌｂｏｔアレイイルミネータとその応用」（光アライアンス１９９８年３月号ｐ１２〜）などにおいて開示されており、詳しい説明は省略する。
【００２６】
以上のように、光の回折ないし干渉を考慮する場合、コヒーレントな平行光を受けたメインスケール４０の格子状パターンは、タルボット距離またはフラクショナルタルボット距離において結像する。もっとも、上記格子状パターンの光透過部は、図３に示すとおりＸ軸方向に周期ｐの周期構造を有し、Ｙ軸方向に周期ｑの周期構造を有しているため、タルボット距離ｚｘ＝ｐ² ・λ・ｍ（ｍは自然数）にはメインスケール４０に含まれるＸ軸用インデックススケール６１と同一のパターンが結像し、タルボット距離ｚｙ＝ｑ² ・λ・ｎにはメインスケール４０に含まれるＹ軸用インデックススケール６２と同一のパターンが結像することになる。また、フラクショナルタルボット距離ｚｘ’＝ｐ² ・λ・（２ｍ−１）／２およびフラクショナルタルボット距離ｚｙ’＝ｑ² ・λ・（２ｎ−１）／２にも結像するが、結像されたパターンはＸ軸用インデックススケール６１およびＹ軸用インデックススケール６２のそれぞれ１／２の大きさのパターンになるため、Ｘ軸用インデックススケール６１およびＹ軸用インデックススケール６２をそれぞれ１／２の大きさのパターンに変更する必要がある。
【００２７】
したがって、Ｘ軸用インデックススケール６１は、メインスケール４０から上記タルボット距離ｚｘまたはフラクショナルタルボット距離ｚｘ’だけ離れた距離、すなわちｐ² ・λ・ｍ／２だけ離れた距離に設けられ、Ｙ軸用インデックススケール６２は、メインスケール４０から上記タルボット距離ｚｙまたはフラクショナルタルボット距離ｚｙ’だけ離れた距離、すなわちｑ² ・λ・ｎ／２だけ離れた距離に設けられる構成により、メインスケール４０と各インデックススケールの距離が０である場合と同様に、メインスケール４０のパターンを各インデックススケールに結像させることができる。
【００２８】
ここで、ｐ² ・λ・ｍ／２とｑ² ・λ・ｎ／２とが等しくない場合、典型的には、ｍとｎとが等しくかつｐとｑとが互いに素である数から選ばれる場合（例えば、ｐ＝２，ｑ＝３である場合）には、メインスケール４０に含まれるＸ軸用インデックススケール６１と同一のパターンがＸ軸用インデックススケール６１に対して結像し、メインスケール４０に含まれるＹ軸用インデックススケール６２と同一のパターンがＸ軸用インデックススケール６１に対して結像することがない。同様に、メインスケール４０に含まれるＹ軸用インデックススケール６２と同一のパターンがＹ軸用インデックススケール６２に対して結像し、メインスケール４０に含まれるＸ軸用インデックススケール６１と同一のパターンがＹ軸用インデックススケール６２に対して結像することがない。
【００２９】
したがって、これらの条件を満たすタルボット距離にＸ軸用インデックススケール６１を配置すれば、Ｘ軸用インデックススケール６１のスリットに対して、直交するメインスケール４０に含まれるＸ軸用インデックススケール６１と同一のパターンにて透過される光（バイアス光）が低減され、当該スリットにて透過される光量の増減幅が大きくなるため、Ｘ軸用光検知器７１から出力される信号のＳ／Ｎが向上する。同様に、これらの条件を満たすタルボット距離にＹ軸用インデックススケール６２を配置すれば、Ｙ軸用インデックススケール６２のスリットに対して、直交するメインスケール４０に含まれるＹ軸用インデックススケール６２と同一のパターンにて透過される光（バイアス光）が低減され、当該スリットにて透過される光量の増減幅が大きくなるため、Ｙ軸用光検知器７２から出力される信号のＳ／Ｎが向上する。ここでは一例として、図２および図３に示すスリット間隔ｐおよびｑは、２：３の比になる値から選ばれている。
【００３０】
次に、Ｘ軸用インデックススケール６１とＹ軸用インデックススケール６２との間には、光を透過する屈折率ａの基材５０が介在している。ここで、屈折率ａの媒体中を通る光の光路長は、真空中を通る光の光路長のａ倍となることが知られている。すなわち、同じ光路長であれば、屈折率ａの媒体中を通る光が進む幾何学的な距離は、真空中を通る光が進む幾何学的な距離の１／ａとなる。したがって、Ｘ軸用インデックススケール６１とＹ軸用インデックススケール６２との幾何学的な距離、すなわち基材５０の厚さは、Ｘ軸用インデックススケール６１およびメインスケール４０の幾何学的な距離とＹ軸用インデックススケール６２およびメインスケール４０の幾何学的な距離との差｜ｐ² ・λ・ｍ／２−ｑ² ・λ・ｎ／２｜の１／ａとなるから、｜ｐ² ｍ−ｑ² ｎ｜λ／（２ａ）となる。よって、メインスケール４０から基材５０の底面（すなわちＸ軸用インデックススケール６１）までの距離がｐ² ・λ・ｍ／２になるように、基材５０が設置される位置を調整することにより、各スケール間全ての距離が適切に調整される。
【００３１】
＜３．２次元エンコーダの動作＞
以下、本発明の一実施形態に係る２次元エンコーダのＸ方向およびＹ方向への相対変位量を測定する動作について説明する。
【００３２】
初期状態では、メインスケール４０の光透過部パターンとＸ軸用インデックススケール６１のスリットとＹ軸用インデックススケール６２のスリットとは、平面ミラー３０から見て互いに重なり合う位置にある。したがって、メインスケール４０の光透過部パターンを透過した光は、すべてＸ軸用インデックススケール６１またはＹ軸用インデックススケール６２のスリットにて透過され、スリット以外の部分に結像することはない。また、メインスケール４０における光を透過しない部分（マスクパターン部分）も、Ｘ軸用インデックススケール６１およびＹ軸用インデックススケール６２に結像するが、この像がＸ軸用インデックススケール６１およびＹ軸用インデックススケール６２のスリットにかかることもない。Ｘ軸用光検知器７１およびＹ軸用光検知器７２は、このような初期状態において最大値の電気信号Ｓｘ，Ｓｙを出力する。
【００３３】
初期状態からメインスケール４０がスリット間隔以下の距離をＸ軸方向へ移動すると、メインスケール４０に含まれるＸ軸用インデックススケール６１と同一の形状を有する光透過部パターンの一部とＸ軸用インデックススケール６１のスリットの一部とは、平面ミラー３０から見て重なり合う。したがって、Ｘ軸用インデックススケール６１には、メインスケール４０に含まれるＸ軸用インデックススケール６１と同一の形状を有する光透過部パターンが一部分だけ重なった状態で結像するため、メインスケール４０の光透過部にて透過された光のうち、その一部の光はＸ軸用インデックススケール６１のスリットにて透過される。また、メインスケール４０に含まれるＸ軸用インデックススケール６１と同一の形状を有する光を透過しない部分（マスクパターン部分の一部）が形成する影の一部は、Ｘ軸用インデックススケール６１のスリット上に結像する。Ｘ軸用光検知器７１は、このような状態において最大値より小さい値の電気信号Ｓｘを出力する。なお、初期状態からＹ軸方向へスリット間隔以下の距離を移動する場合も同様に説明することができる。
【００３４】
さらにメインスケール４０がスリット間隔に等しい距離をＸ軸方向へ移動すると、メインスケール４０に含まれるＸ軸用インデックススケール６１と同一の形状を有する光透過部パターンの一部およびＸ軸用インデックススケール６１のスリットは、平面ミラー３０から見て互いに重なり合わなくなる。したがって、Ｘ軸用インデックススケール６１には、メインスケール４０に含まれるＸ軸用インデックススケール６１と同一の形状を有する光透過部パターンが重ならない状態で結像するため、メインスケール４０のスリットにて透過された光はＸ軸用インデックススケール６１のスリット以外の光を透過しない部分に遮られる。また、メインスケール４０に含まれるＸ軸用インデックススケール６１と同一の形状を有する光を透過しない部分が形成する影は、Ｘ軸用インデックススケール６１のスリット上に結像する。ここで、メインスケール４０に含まれるＹ軸用インデックススケール６２と同一の形状を有する光透過部パターンがＸ軸用インデックススケール６１上に結像することがないことは前述の通りであるから、Ｘ軸用インデックススケール６１のスリットにて前述のバイアス光が透過される量は小さくなる。Ｘ軸用光検知器７１は、このような状態において最小値の電気信号Ｓｘを出力する。なお、初期状態からＹ軸方向へスリット間隔に等しい距離を移動する場合も同様に説明することができる。
【００３５】
このように、メインスケール４０がスリット間隔に等しい距離をＸ方向へ移動する毎に、Ｘ軸用光検知器７１は、値が上記最大値から上記最小値まで変化する周期的な電気信号Ｓｘを出力する。同様に、メインスケール４０がスリット間隔に等しい距離をＹ方向へ移動する毎に、Ｙ軸用光検知器７２は、値が周期的に変化する電気信号Ｓｙを出力する。これらの電気信号Ｓｘ，Ｓｙの波形は、上記最小値から上記最大値への直線的な値の変化と最大値から最小値への直線的な値の変化とに対応して、具体的にはやや鈍った三角波となる。
【００３６】
信号処理部８０は、これらの周期的に変化する電気信号Ｓｘ，Ｓｙを計測してそのピーク値の数をカウントする。具体的には、これらの信号を公知の波形整形回路によりパルス化し、公知のカウンタ回路によりそのパルス数をカウントする。ただし、Ｘ方向に配列されるスリットの間隔とＹ方向に配列されるスリットの間隔とは、ｐ＝２，ｑ＝３のときには２：３の関係にあるので、Ｘ方向およびＹ方向でそれぞれカウントされた数と距離との関係を整合させるために、信号の周波数を４倍にする４逓倍回路により電気信号Ｓｘを４逓倍し、信号の周波数を６倍にする６逓倍回路により電気信号Ｓｙを６逓倍する。そうすれば、１パルスがカウントされる毎に、Ｘ軸方向およびＹ軸方向にそれぞれ２／４＝３／６＝０．５ずつ移動距離を測定することができる。そのため、逓倍しない場合に比べて分解能が向上するとともに、Ｘ軸方向およびＹ軸方向への移動距離がカウントされた数から同様に測定される。
【００３７】
＜４．効果＞
本発明の一実施形態では、Ｘ軸用インデックススケール６１およびＹ軸用インデックススケール６２のスリット間隔（および対応するメインスケール４０の光透過部パターンの間隔）ｐ，ｑが典型的には互いに素である数（例えば、ｐ＝２，ｑ＝３）から選ばれており、メインスケール４０とＸ軸用インデックススケール６１およびＹ軸用インデックススケール６２との距離がタルボット距離またはフラクショナルタルボット距離だけ離れるように構成される。この構成により、これらのインデックススケールのスリットに対して、直交するメインスケール４０の光透過部パターンの部分にて透過される光（バイアス光）が透過される量が低減され、各スリットにて透過される光量の増減幅が大きくなるため、光検知器７１，７２から出力される信号のＳ／Ｎを向上させることができる。
【００３８】
また、本発明の一実施形態では、ｐ＝２，ｑ＝３であることから、一般的に広く用いられる簡易な回路構成を有する４逓倍回路および６逓倍回路を信号処理部８０において用いることができるので、信号処理部８０を簡易に構成することができる。
【００３９】
さらに、本発明の一実施形態では、Ｘ軸用インデックススケール６１とＹ軸用インデックススケール６２との幾何学的な距離、すなわち基材５０の厚さが｜ｐ² ｍ−ｑ² ｎ｜λ／（２ａ）となるように構成される。この構成により、基材５０の位置を正確に調整すれば、各スケール間の距離を正確かつ容易に設定することができる。また、この構成により、基材５０に各インデックススケールが形成されない場合よりも光路長を変更することなく幾何学的な距離を短縮することができるので、装置全体をよりコンパクトに構成することができる。
【００４０】
＜５．変形例＞
上記の実施形態では、メインスケール４０、Ｘ軸用インデックススケール６１、およびＹ軸用インデックススケール６２は、光を透過するスリットが配列される構成である。しかし、メインスケール４０、Ｘ軸用インデックススケール６１、およびＹ軸用インデックススケール６２のうちの１つ以上は、スリットと同様の形状であって光を反射する反射領域とそれ以外の非反射領域とを含む構成であってもよい。この構成では、光源１０から発せられた平行でコヒーレントな光がメインスケール４０へ入射され、メインスケール４０にて透過または反射された光がＸ軸用インデックススケール６１およびＹ軸用インデックススケール６２へ入射され、Ｘ軸用インデックススケール６１にて透過または反射された光がＸ軸用光検知器７１に至り、Ｙ軸用インデックススケール６２にて透過または反射された光がＹ軸用光検知器７２に至るように光路が設定され、各構成要素が配置される。
【００４１】
また、上記の実施形態では、メインスケール４０とＸ軸用インデックススケール６１およびＹ軸用インデックススケール６２との距離がタルボット距離ｚまたはフラクショナルタルボット距離だけ離れるように構成される。しかし、これらのインデックススケールのスリットに対して、直交するメインスケール４０のスリットにて透過される光（バイアス光）が透過されなければ、１００％の強度で結像しない距離（例えば３ｚ／８や７ｚ／２４などの距離）だけ離れるように構成されてもよい。
【００４２】
なお、上記の実施形態では、Ｘ軸用インデックススケール６１およびＹ軸用インデックススケール６２は、基材５０の所定面上に形成される構成であるが、その構成上必ず基材５０の所定面上に形成されなければならないわけではなく、基材５０が省略される構成も可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る２次元エンコーダの概略的な構成を示す側面図である。
【図２】上記実施形態におけるＸ軸用インデックススケールおよびＹ軸用インデックススケールのスリット構成を示す平面図である。
【図３】上記実施形態におけるメインスケールのパターン構成を示す平面図である。
【符号の説明】
１０ …光源
２０ …コリメータレンズ
３０ …平面ミラー
４０ …メインスケール
５０ …基材
６１ …Ｘ軸用インデックススケール（第１のインデックススケール）
６２ …Ｙ軸用インデックススケール（第２のインデックススケール）
７１ …Ｘ軸用光検知部（第１の受光素子）
７２ …Ｙ軸用光検知部（第２の受光素子）
８０ …信号処理部（信号処理手段）
Ｓｘ，Ｓｙ …電気信号（第１および第２の電気信号）
ｐ …Ｘ軸方向のスリット間隔
ｑ …Ｙ軸方向のスリット間隔

Claims

相対する２物体の所定平面上における第１の方向であるＸ方向および第２の方向であるＹ方向への相対変位量を測定する２次元エンコーダであって、
所定の波長λのコヒーレントな光を発する光源と、
前記２物体の一方に設けられ、前記Ｘ方向へ第１の周期ｐで繰り返され前記Ｙ方向へ前記第１の周期ｐとは異なる第２の周期ｑで繰り返される周期パターンにより前記光源が発する光を透過または反射するメインスケールと、
前記２物体の他方に設けられ、前記メインスケールが有する前記Ｘ方向へ繰り返される周期パターンが結像しかつ前記Ｙ方向へ繰り返される周期パターンが結像しない第１の距離だけ前記メインスケールから離れており、前記メインスケールが透過または反射する光を前記Ｘ方向への相対変位量に応じた光量だけ透過または反射する第１のインデックススケールと、
前記２物体の他方に設けられ、前記メインスケールが有する前記Ｘ方向へ繰り返される周期パターンが結像せずかつ前記Ｙ方向へ繰り返される周期パターンが結像する第２の距離だけ前記メインスケールから離れており、前記メインスケールが透過または反射する光を前記Ｙ方向への相対変位量に応じた光量だけ透過または反射する第２のインデックススケールと、
前記第１のインデックススケールにより透過または反射された光を検知することにより第１の電気信号を出力する第１の受光素子と、
前記第２のインデックススケールにより透過または反射された光を検知することにより第２の電気信号を出力する第２の受光素子と、
前記第１および第２の受光素子から出力される前記第１および第２の電気信号に基づき、前記Ｘ方向および前記Ｙ方向への相対変位量を示す信号を出力する信号処理手段と
を備える、２次元エンコーダ。
前記第１の距離は、ｐ² ・λ・ｍ／２（ｍは自然数）から選ばれる値に基づいて算出され、
前記第２の距離は、ｑ² ・λ・ｎ／２（ｎは自然数）から選ばれる値に基づいて算出されることを特徴とする、請求項１に記載の２次元エンコーダ。
前記第１の周期ｐおよび第２の周期ｑは、２：３または３：２の比となる値から選ばれることを特徴とする、請求項１に記載の２次元エンコーダ。
前記メインスケールに対して平行に設けられ、前記メインスケールからの光を透過する１より大きい屈折率ａの基材をさらに備え、
前記第１のインデックススケールは、前記基材における所定の第１の面に形成され、
前記第２のインデックススケールは、前記基材における前記第１の面と平行な第２の面に形成されることを特徴とする、請求項１に記載の２次元エンコーダ。
前記第１の面と前記第２の面との距離である前記基材の厚さは、｜ｐ² ｍ−ｑ² ｎ｜λ／（２ａ）（ｍ，ｎは自然数）から選ばれる値であることを特徴とする、請求項４に記載の２次元エンコーダ。