JP2003035570A - 回折干渉式リニアスケール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 調整が容易な回折干渉式リニアスケールの実
現。 【解決手段】 透明基板61の表面に移動方向に直交させ
て等間隔に形成した格子62を有するスケール60と、可干
渉光を第１の光束44と第２の光束45に分割してスケール
に照射する光照射手段40と、スケールの格子で回折され
た第１と第２の光束の同次数の正負の回折光を干渉させ
た干渉光の強度変化を検出する光検出手段47とを備える
回折干渉式リニアスケールであって、光照射手段40から
照射された第１と第２の光束は、スケールに垂直に入射
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、移動方向に直交さ
せて等間隔に形成した格子を有するスケールに２つの可
干渉光束を照射して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ことによ
りスケールの移動量を検出する回折干渉式リニアスケー
ルに関する。

【０００２】

【従来の技術】スケールに移動方向に直交させて等間隔
に格子を形成し、これに光束を照射して透過又は反射し
た光束の強度変化を検出してスケールとの相対的な移動
量を検出する光学式リニアスケールが知られており、特
に２枚の格子を重ねたものをモアレスケールと呼んでい
る。検出分解能を向上するには格子ピッチを小さくする
必要があるが、格子ピッチを小さくすると光の回折現象
が問題になる。逆にこの回折現象を積極的に利用して検
出分解能及び検出精度を向上させた方式に回折干渉式リ
ニアスケールがある。回折干渉式リニアスケールについ
ては、例えば特許第２５８２２７２号などに開示されて
いる。従来の回折干渉式リニアスケールについて、図面
を参照して簡単に説明する。

【０００３】図１は、反射型の２回回折方式の回折干渉
式リニアスケールの概略構成を示す図である。図１に示
すように。この装置は、光学部１０とスケール３０の２
つの部分で構成され、更に光学部１０には検出部１８が
設けられている。スケール３０は透明基板３１であり、
その一方の表面には所定の間隔で格子３２が形成され、
他方の表面には反射面３３が形成されている。格子３２
は、濃淡パターンでも位相格子でもよい。一方、光学部
１０では、半導体レーザなどの可干渉光ビームを出力す
る光源１１からの光をコリメータレンズ１２で平行ビー
ムとし（平行ビームを出力する光源であれば不要）、偏
向ビームスプリッタ１３で第１ビーム１４と第２ビーム
１５に分割する。第１ビーム１４は、ミラー１６で反射
された後スケール３０に入射し、第２ビーム１５は、ミ
ラー１７で反射された後スケール３０に入射する。

【０００４】図２の（Ａ）に示すように、スケール３０
に入射した第１ビーム１４と第２ビーム１５は、格子３
２により回折される。回折光は、光ビームの波長と格子
ピッチに応じて０次、±１次、±２次という具合に生じ
るが、２つのビームの同じ次数の正負逆の回折光を利用
する。ここでは±１次の回折光を利用するものとする。
第１ビーム１４の＋１次の回折ビームと第２ビーム１５
の−１次の回折ビームは、透明基板３１内を伝播して反
射面３３で反射され、再び格子３２に入射して回折され
る。ここで、２回目の回折により第１及び第２ビームか
らスケール３０の表面に垂直な回折光が生じるように、
光ビームの波長、格子ピッチ及び透明基板の厚さと屈折
率などに応じて第１及び第２ビームのスケール３０への
入射角を設定する。具体的には、スケールから出射され
る２つのビームの方向が一致するようにミラー１６と１
７を調整する。また、スケール３０の表面から垂直に出
射される第１及び第２ビームが相互に重なるように、２
つのビームのスケール３０への入射位置の間隔が設定さ
れている。

【０００５】ここで、入射する光ビームに対してスケー
ル３０が格子の配列方向に相対的に移動すると回折光の
位相が格子の移動に比例して変化するが、＋１次の回折
ビームと−１次の回折ビームは、位相の進み又は遅れの
方向が逆になること以外はまったく同様な現象を示す。
更に、図１の構成では、格子３２で２回回折されている
ので、＋１次の回折ビームと−１次の回折ビームを合成
して干渉させると干渉ビームは格子の１ピッチの移動に
対して４サイクルで明暗が変化する。干渉ビームは検出
部１８に入射する。

【０００６】上記のように、第１および第２ビームは偏
向ビームスプリッタ１３で分割されており、一方がＰ偏
光、他方がＳ偏光であるので、１／４波長板１９を通る
ことにより円偏光になり干渉信号が得られる。そして、
ビームスプリッタ２０で分割され、それぞれ偏光板２１
及び２２を通過して干渉光を発生する。２つの偏光板２
１及び２２は、位相差がπ／２になるように回転角が調
整されており、２つの干渉光は互いにπ／２の位相差を
有する。従って、２つの干渉光を受光素子２３と２４で
受けて電気信号に変換すると、ＳｉｎとＣｏｓの２つの
信号が得られ、その強度比から位相も検出できる。光学
部１０内の各部品は光学部１０の筐体に固定されてお
り、スケール３０が光学部１０に対して格子の配列方向
に相対的に移動すると、受光素子２３と２４からの信号
が変化するので、その変化を観察することにより移動量
が測定できる。

【０００７】以上、従来の反射型の２回回折方式の回折
干渉式リニアスケールについて簡単に説明したが、この
技術自体は公知であり、これ以上の詳しい説明は省略す
る。更に、上記の説明では例として反射型の２回回折方
式を示したが、他にも透過型や１回回折方式などがあ
り、本発明はいずれの方式にも有効である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、スケー
ル３０に入射する第１及び第２ビームの間隔は、スケー
ル３０の表面から垂直に出射される第１及び第２ビーム
が相互に重なるように設定される必要がある。もし、間
隔が所望の値からずれるとスケール３０から出射される
第１及び第２ビームの一部が重ならなくなりビームの一
部が干渉しなくなる。更にずれが大きくなると２つのビ
ームがまったく重ならなくなり干渉光が得られなくなる
という問題を生じる。図２の（Ｂ）はこの問題を説明す
る図であり、間隔が広がる方向にずれた場合を示してい
る。図２の（Ａ）と比較して明らかなように、重ならな
い部分が増加し、重なるのは矢印で示した部分のみであ
る。ここで、受光素子２３と２４が重なり合ったビーム
のどの部分を検出するかにも関係するが、すべてのビー
ムを受光して電気信号に変換した場合、干渉していない
光の割合が増加するに従ってＳ／Ｎ比が低下し、測定精
度が低下するという問題を生じる。

【０００９】図１に示すように、第１及び第２ビームは
光学部１０から斜めに出射されるので、光学部１０の下
辺とスケール３０の間隔Ｄが変化すると第１及び第２ビ
ームの間隔が変化する。光学部１０とスケール３０は相
対的に移動する必要があるので固定することはできず、
一方を移動物体に取り付けた上で間隔Ｄが所定になるよ
うに調整している。しかし、この調整は移動距離を測定
する対象物で行う必要があり、作業が煩雑であるという
問題がある。

【００１０】本発明は、このような問題を解決すること
を目的とし、光学部とスケールの間隔のずれによる影響
を低減し、調整が容易な回折干渉式リニアスケールの実
現を目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を実現するた
め、本発明の回折干渉式リニアスケールは、光学部から
出射される２つの光ビームがスケールに垂直に入射する
ようにする。

【００１２】すなわち、本発明の回折干渉式リニアスケ
ールは、透明基板の表面に移動方向に直交させて等間隔
に形成した格子を有するスケールと、可干渉光を第１の
光束と第２の光束に分割して前記スケールに照射する光
照射手段と、前記スケールの前記格子で回折された前記
第１と第２の光束の同次数の正負の回折光を干渉させた
干渉光の強度変化を検出する光検出手段とを備える回折
干渉式リニアスケールであって、前記光照射手段から照
射された前記第１と第２の光束は、前記スケールに垂直
に入射することを特徴とする。

【００１３】本発明の回折干渉式リニアスケールによれ
ば、光照射手段（光学部）から出射される２つの光ビー
ムはスケールに垂直に入射するので、たとえ光照射手段
（光学部）とスケールの間の距離が変化しても、スケー
ル３０に入射する第１及び第２ビームの間隔は変化しな
い。従って、光照射手段（光学部）とスケールの間の距
離を精密に調整する必要はなく、調整が容易である。

【００１４】本発明は、反射型の２回回折方式、透過型
の２回回折方式、透過型の１回回折方式及び反射型の３
回回折方式など各種の方式に適用可能である。

【００１５】反射型の２回回折方式の場合には、スケー
ルは、一方の表面に格子を有し、他方の面に反射面を有
し、格子で回折された第１と第２の回折光は、反射面で
反射された後格子で再び回折する。

【００１６】透過型の２回回折方式の場合には、スケー
ルは、両方の表面に格子を有し、一方の表面の格子で回
折された第１と第２の回折光は、他方の表面の格子で再
び回折し、スケールの他方の表面から垂直に出射され
る。

【００１７】透過型の１回回折方式の場合には、スケー
ルは、一方の表面に格子を有し、光検出手段は、一方の
表面の格子で回折された第１と第２の回折光を合成して
干渉光を発生させる合成手段を備える。

【００１８】反射型の２回回折方式の場合には、スケー
ルは、一方の表面に格子を有し、他方の面に格子と反射
面を有し、一方の表面の格子で回折された第１と第２の
回折光は、他方の表面の格子で再び回折すると共に反射
した後、一方の表面の格子で再び回折し、スケールの他
方の表面から垂直に出射される。

【００１９】

【発明の実施の形態】図３は、本発明の第１実施例の反
射型の２回回折方式の回折干渉式リニアスケールの構成
を示す図である。図３に示すように、この装置は、光学
部４０とスケール６０の２つの部分で構成され、更に光
学部４０には検出部４７が設けられている。検出部４７
は図１の従来例の検出部１８と同じ構成を有し、スケー
ル６０も格子ピッチなどが異なる点を除けば図１のもの
とほぼ同じ構成を有し、図１の従来例と異なるのは第１
及び第２ビーム４４，４５がスケール６０に垂直に入射
する点である。

【００２０】光学部６０では、半導体レーザである光源
４１からの光をコリメータレンズ４２で平行ビームと
し、偏向ビームスプリッタ４３で第１ビーム４４と第２
ビーム４５に分割する。第１ビーム４４は、そのままス
ケール６０に垂直に入射し、第２ビーム４５は、プリズ
ム４６で反射された後スケール３０に垂直に入射する。

【００２１】スケール６０に入射した第１ビーム４４と
第２ビーム４５は、格子６２により回折される。ここで
は第１ビーム４４の＋１次の回折ビームと第２ビーム４
５の−１次の回折ビームを利用する。この２つの回折ビ
ームは、透明基板６１内を伝播して反射面６３で反射さ
れ、再び格子６２に入射して回折され、第１ビーム４４
の＋１次の回折ビームと第２ビーム４５の−１次の回折
ビームの２つのビームはスケール６０の表面から垂直に
出射される。ここで、光ビームの波長、格子ピッチ及び
透明基板６１の厚さと屈折率は、垂直に入射した第１及
び第２ビームが再びスケール６０から垂直に出射され、
且つ出射される２つのビームが重なるように設定され
る。重なるように出射された２つのビームは検出部４７
に入射して干渉ビームに応じた電気信号が得られる。

【００２２】本実施例では、第１及び第２ビームがスケ
ール６０に垂直に入射すれば、重なった状態でスケール
６０から垂直に出射されるように、格子ピッチ及び透明
基板６１の厚さと屈折率が光ビームの波長に応じて設定
されている。スケール６０の透明基板は例えば低熱膨張
係数の石英ガラスで作られ、その厚さや格子のピッチな
どは非常に精密に作られ、一旦作られたスケールはほと
んど変化しないので、半導体レーザ４１の出力する光ビ
ームの波長さえ精密に管理し、光学部４０から２つのビ
ーム４４と４５が垂直に出射されるように調整しておけ
ば、光学部４０とスケール６０の間隔Ｄにかかわらず常
にＳ／Ｎ比の高い検出信号が得られる。従って、光学部
４０とスケール６０の一方を移動物体に取り付けて装置
を組み立てる場合の調整が従来例に比べて大幅に簡単に
なる。

【００２３】図３の構成では、干渉ビームがスケール６
０から出射されるすぐ上の部分に検出部４７を設けた
が、このような配置を可能にするにはスケール６０に入
射する２つのビーム４４と４５の間隔を広くする必要が
ある。しかし、２つのビーム４４と４５の間隔を広くし
て中間の部分から干渉ビームが出射されるようにするに
は、透明基板６１の厚さを大きくし、格子ピッチを狭く
する必要があり、制約が多い。そこで、図４の（Ａ）及
び（Ｂ）に示すように、干渉ビームがスケール６０から
出射されるすぐ上の部分にはプリスム５４などの反射手
段を設けて干渉ビームを９０度折り返し、ビーム４４と
４５の光路に影響しない部分に検出部４７を設けるよう
にしてもよい。

【００２４】図５は、本発明の第２実施例の透過型の２
回回折方式の回折干渉式リニアスケールの構成を示す図
である。図５に示すように、この装置は、光学部７０と
スケール９０と検出部７５の３つの部分で構成され、光
学部７０と検出部７５はスケール９０の両側に配置さ
れ、光学部７０と検出部７５は一体に保持され、スケー
ル９０が光学部７０と検出部７５に対して相対的に移動
する。検出部７５は第１実施例の検出部４７と同じ構成
を有する。

【００２５】スケール９０は、透明基板９１の両面に同
じ格子ピッチの第１格子９２と第２格子９３を有する。
光源７１からの光をコリメータレンズ７２で平行ビーム
とし、偏向ビームスプリッタ７３で２つのビームに分割
し、一方はそのままスケール９０に垂直に入射し、他方
はプリズム７４で反射された後スケール９０に垂直に入
射する。

【００２６】スケール９０に入射した２つのビームは、
一方の表面の格子９２により回折される。このうち２つ
の±１次の回折ビームは、透明基板９１内を伝播して他
方の表面で重なると共に、格子９３により回折される。
回折ビームのうち、元の次数と正負逆の２つの回折ビー
ムはスケール９０の他方の表面から垂直に出射され、干
渉ビームを生じる。ここでも、光ビームの波長、格子ピ
ッチ及び透明基板９１の厚さと屈折率は、一方の表面に
垂直に入射した２つのビームが他方の表面で重なると共
にスケール９０から垂直に出射されるように設定され
る。干渉ビームは検出部７５に入射して干渉ビームに応
じた電気信号が得られる。

【００２７】第２実施例でも、光ビームの波長を精密に
管理し、光学部７０から２つのビームが垂直に出射され
るように調整しておけば、光学部７０及び検出部７５と
スケール６０の間隔にかかわらず常にＳ／Ｎ比の高い検
出信号が得られる。

【００２８】図６は、本発明の第３実施例の透過型の１
回回折方式の回折干渉式リニアスケールの構成を示す図
である。図６に示すように、この装置は、第２実施例と
同じ光学部７０とスケール９５と検出部１００の３つの
部分で構成され、光学部７０と検出部１００はスケール
９５の両側に配置され、光学部７０と検出部１００は一
体に保持され、スケール９５が光学部７０と検出部１０
０に対して相対的に移動する。

【００２９】スケール９５は、透明基板９６の一方の表
面に形成された格子９７を有し、他方の表面は透過面で
ある。光学部７０から出射された２つのビームは、スケ
ール９５に垂直に入射し、格子９７で回折する。回折ビ
ームのうち±１次の回折ビームは、透明基板９６内を伝
播して他方の表面から斜めに出射され、検出部１００に
入射する。

【００３０】検出部１００に入射した２つのビームは、
それぞれミラー１０１と１０２で互いに垂直になるよう
に折り返された後、１／４波長板１０３と１０４を通過
して円偏光とされた後、ビームスプリッタ１０５で合成
されて２つの干渉ビームを生じる。２つの干渉ビーム
は、それぞれ偏光板１０６と１０７を通過した後受光素
子１０８と１０９で電気信号に変換される。

【００３１】第３実施例の装置では、１回回折されるだ
けなので、干渉ビームは格子の１ピッチの移動に対して
２サイクルで明暗が変化する。なお、格子９７が形成さ
れるのは他方の表面でもよい。

【００３２】第３実施例の装置では、スケール９５と検
出部１００の位置関係がずれると２つのビームの重なり
具合が変化するので、スケール９５と検出部１００の位
置関係は充分に調整する必要があるが、光学部７０とス
ケール９５の距離がずれても影響はない。

【００３３】図７は、本発明の第４実施例の反射型の３
回回折方式の回折干渉式リニアスケールの構成を示す図
である。図７に示すように、この装置は、図３の第１実
施例の反射型の２回回折方式の回折干渉式リニアスケー
ルと類似の構成を有し、光学部４０は第１実施例と同じ
であるが、スケールは異なる。スケール６５は、透明基
板６６の一方の表面に所定の間隔で格子６７が形成さ
れ、他方の表面には格子６８と共に反射面６９が形成さ
れている。格子６７，６８は、濃淡パターンでも位相格
子でもよい。

【００３４】スケール６５に入射した第１ビーム４４と
第２ビーム４５は、格子６７により回折される。ここで
は第１ビーム４４の＋１次の回折ビームと第２ビーム４
５の−１次の回折ビームを利用する。この２つの回折ビ
ームは、透明基板６６内を伝播して反射面６９で反射さ
れるが、反射面６９に設けられた格子６８により回折さ
れる。ここで、波長・格子６７，６８のピッチ、ガラス
基板６６の厚さなどの条件を設定して、第１ビーム４４
の＋１次の回折ビームと第２ビーム４５の−１次の回折
ビームがスケール６７の表面から垂直に出射されるよう
にし、出射される２つのビームが重なるようにする。重
なるように出射された２つのビームは検出部４７に入射
して干渉ビームに応じた電気信号が得られる。

【００３５】本実施例では、第１及び第２ビームがそれ
ぞれ３回回折され、各回折の±１次の回折光が利用され
るので、検出部４７からの電子信号はスケール６５の格
子が１ピッチ移動する間に８サイクル分変化し、第１実
施例に比べて検出感度を２倍にできる。光学部４０から
の２つのビームがスケール６５に垂直に入射すれば、第
１実施例と同様に、光学部４０とスケール６５の間隔Ｄ
にかかわらず常にＳ／Ｎ比の高い検出信号が得られる。
また、第４実施例においても、図４の（Ａ）及び（Ｂ）
に示すように、干渉ビームがスケールから出射されるす
ぐ上の部分にはプリスム５４などの反射手段を設けて干
渉ビームを９０度折り返し、ビーム４４と４５の光路に
影響しない部分に検出部４７を設けるように構成しても
よい。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
回折干渉式リニアスケールの調整が容易になるので、容
易に高精度の測定が行えるようになると共に、装置の組
み立てコストを低減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の反射型の２回回折方式の回折干渉式リニ
アスケールの構成を示す図である。

【図２】従来例におけるスケール内での光路と問題点を
説明する図である。

【図３】本発明の第１実施例の反射型の２回回折方式の
回折干渉式リニアスケールの構成を示す図である。

【図４】第１実施例の変形例を示す図である。

【図５】本発明の第２実施例の透過型の２回回折方式の
回折干渉式リニアスケールの構成を示す図である。

【図６】本発明の第３実施例の透過型の１回回折方式の
回折干渉式リニアスケールの構成を示す図である。

【図７】本発明の第４実施例の反射型の３回回折方式の
回折干渉式リニアスケールの構成を示す図である。

【符号の説明】

４０…光学部（光照射手段） ４１…光源（半導体レーザ） ４３…偏光ビームスプリッタ ４４…第１ビーム ４５…第２ビーム ４７…検出部 ６０…スケール ６１…透明基板 ６２…格子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA02 AA07 BB18 FF16 FF48 FF51 GG06 HH04 HH13 JJ01 JJ05 JJ15 LL32 LL42 2F103 BA05 BA10 CA01 CA02 CA03 CA04 CA08 DA01 DA12 EA15 EA19 EB02 EB03 EB28 EB32 EB33 EC03 EC12 EC13 EC15 ED07 FA01 FA12 2H049 AA34 AA50 AA55

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 透明基板の表面に移動方向に直交させて
   等間隔に形成した格子を有するスケールと、 可干渉光を第１の光束と第２の光束に分割して前記スケ
   ールに照射する光照射手段と、 前記スケールの前記格子で回折された前記第１と第２の
   光束の同次数の正負の回折光を干渉させた干渉光の強度
   変化を検出する光検出手段とを備える回折干渉式リニア
   スケールであって、 前記光照射手段から照射された前記第１と第２の光束
   は、前記スケールに垂直に入射することを特徴とする回
   折干渉式リニアスケール。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の回折干渉式リニアスケ
   ールであって、 前記スケールは、一方の表面に前記格子を有し、他方の
   面に反射面を有し、 前記格子で回折された前記第１と第２の回折光は、前記
   反射面で反射された後前記格子で再び回折し、 前記光検出手段は前記スケールから垂直に出射される前
   記第１と第２の回折光が干渉した干渉光の強度変化を検
   出する回折干渉式リニアスケール。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の回折干渉式リニアスケ
   ールであって、 前記スケールは、両方の表面に前記格子を有し、 一方の表面の前記格子で回折された前記第１と第２の回
   折光は、他方の表面の前記格子で再び回折し、 前記光検出手段は前記スケールの前記他方の表面から垂
   直に出射される前記第１と第２の回折光が干渉した干渉
   光の強度変化を検出する回折干渉式リニアスケール。
4. 【請求項４】 請求項１に記載の回折干渉式リニアスケ
   ールであって、 前記スケールは、一方の表面に前記格子を有し、 前記光検出手段は、一方の表面の前記格子で回折された
   前記第１と第２の回折光を合成して前記干渉光を発生さ
   せる合成手段を備える回折干渉式リニアスケール。
5. 【請求項５】 請求項１に記載の回折干渉式リニアスケ
   ールであって、 前記スケールは、一方の表面に前記格子を有し、他方の
   面に前記格子と反射面を有し、 一方の表面の前記格子で回折された前記第１と第２の回
   折光は、他方の表面の前記格子で再び回折すると共に反
   射した後、前記一方の表面の前記格子で再び回折し、 前記光検出手段は前記スケールから垂直に出射される前
   記第１と第２の回折光が干渉した干渉光の強度変化を検
   出する回折干渉式リニアスケール。