JP2003302259A - 変位情報検出装置 - Google Patents

変位情報検出装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 産業用計測機械等に好適な位置や角度情報を
高精度に検出することができる変位情報検出装置を得る
こと。 【解決手段】 源手段からの可干渉光束を相対移動する
回折格子スケールに照明し、２つの異なる次数の回折光
を発生させ、該２つの回折光を円弧または円環状の曲線
を不等ピッチに格子状に配列した回折格子にて回折偏向
し、該回折格子スケールに再照射させ、再度回折させ
て、それぞれの回折光同士を重ね合わせて、干渉させ該
干渉光を受光素子に導いて、該回折格子スケールの相対
移動にともなう周期信号を検出すること。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は変位情報検出装置に
関し、特に変位物体（光学スケール）に光を照射した際
に発生する回折を利用して変位物体の位置情報や回転情
報や移動等の変位情報の物理量を高精度に求めることの
できる産業用計測機械等に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】従来より産業用計測機械等には物体（変
位物体）の位置情報、移動量、回転量等の変位情報を検
出する為に、ロータリーエンコーダやリニアエンコーダ
等の変位情報検出装置（エンコーダ）が多く使用されて
いる。
【０００３】本出願人は、これまで光の回折干渉現象を
応用して、物体の位置や速度の変動を検出するいわゆる
格子干渉方式のエンコーダを種々と提案している。とく
にミクロンオーダの微細スケールを採用し、該微細スケ
ールにて回折された光束を２つ取り出して各々干渉させ
ることで、幾何光学式のエンコーダよりはるかに高分解
能のエンコーダを提案している。
【０００４】これらのエンコーダは、２つの回折光の波
面を合成し、干渉パターンを生成する構成を取っている
が、干渉光学系であるがゆえに、各光学素子の加工、配
置に非常に厳しい精度が要求されている。とくにスケー
ル部と検出ヘッド部が分離したいわゆる組み込みタイプ
のエンコーダの場合は、ユーザがスケールと検出ヘッド
部をモータやステージ等に装着しなければならず、その
作業における組立上の困難さが問題になっていた。ま
た、実際の装置に装着する場合は、装置自体の小型化に
伴って、さらなる小型なエンコーダが要求されてきてい
る。
【０００５】そこでこれまで本出願人は、各種光学素子
の組立上の誤差を補正できる補正光学系を利用し、取り
付け時のアライメント誤差の影響を軽減した、高精度の
変位情報を検出することができるエンコーダを、例えば
特願２００１−２５１２４で提案している。
【０００６】図４は本出願人が先に提案した補正光学系
を利用し、高精度な変位情報の検出ができるエンコーダ
の光学系の要部概略図である。
【０００７】図４において、半導体レーザＬＤから射出
された光束Ｒは、ビームスプリッタＢＳの部分透過部Ｗ
を透過し、反射ミラーＭ１と円環状素子ＣＧの透過部を
介して回折格子スケール（スケール格子）ＧＴに照明さ
れる。スケールＧＴで回折された反射回折光Ｒ＋、Ｒ−
は、それぞれ円環状素子ＣＧの円環状反射格子ＣＧ１、
ＣＧ２上に照明される。ここで回折格子スケールＧＴ上
の格子ピッチをＰ１とすると、円環状反射格子ＣＧ１、
ＣＧ２の格子ピッチＰ２は、 Ｐ２＝Ｐ１／２ の関係で設定してある。
【０００８】円環状反射格子ＣＧ１、ＣＧ２は局所的に
見ると格子ピッチＰ２の回折格子として作用し、元の方
位（回折格子スケールＧＴ側）へ回折され、回折格子ス
ケール格子ＧＴの略同一位置に向けて照明され、再回折
され、それぞれ光束を重ね合わせて元の光路を戻り、ビ
ームスプリッタＢＳまで戻される。この光束は、それぞ
れビームスプリッタＢＳ裏面の反射回折格子ＧＴ４にて
半導体レーザＬＤと異なる方向へ取り出され、干渉光束
として受光素子ＰＤ４にて検出される。なお、±１次回
折光を使用した場合は、受光素子ＰＤ上における干渉の
明暗周期は回折格子スケール格子ＧＴの１ピッチ分の移
動につき４周期である。
【０００９】この従来例におけるエンコーダは、円環状
反射格子ＣＧ１、ＣＧ２の効果によって、光源の波長変
動に対して光路ずれを補正する効果および各光学素子の
アライメント誤差に対して補正が働くので、スケール格
子ＧＴと検出ヘッド（ＰＤ４）を分離したエンコ−ダで
も取り付けが比較的容易になる。また、構成部品点数が
非常に少ないので小型薄型化が可能である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】図４に示すエンコーダ
は回折格子スケールＧＴ上の格子ピッチをＰ１とする
と、円環状反射格子ＣＧ１、ＣＧ２のピッチＰ２は、 Ｐ２＝Ｐ１／２ の関係で設定してあるため、特にロータリーエンコーダ
のディスクスケールを小径化する場合、光束照明位置が
半径方向にずれると、設定からずれやすくなる。
【００１１】そこで、特に小径ディスクを用いた場合
に、半径方向の光束照明位置のずれに依存しない安定し
た変位情報が得られる３格子干渉光学系が要望されてい
る。
【００１２】本発明は高分解能で安定した変位情報が得
られる３格子干渉光学系を利用した小型薄型で小径ディ
スクに良好に適用できる変位情報検出装置の提供を目的
とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明の変位情
報検出装置は、光源手段からの可干渉光束を相対移動す
る回折格子スケールに照明し、２つの異なる次数の回折
光を発生させ、該２つの回折光を円弧または円環状の曲
線を不等ピッチに格子状に配列した回折格子にて回折偏
向し、該回折格子スケールに再照射させ、再度回折させ
て、それぞれの回折光同士を重ね合わせて、干渉させ該
干渉光を受光素子に導いて、該回折格子スケールの相対
移動にともなう周期信号を検出することを特徴としてい
る。
【００１４】請求項２の発明の変位情報検出装置は、光
源手段からの可干渉光束を相対移動する回折格子スケー
ルに略点状に照明し、２つの異なる次数の回折光を発生
させ、該２つの回折光を透明基板上に形成した円弧また
は円環線状の曲線を不等ピッチに格子状に配列した回折
格子にて反射偏向し、該回折格子スケールに略点状に再
照射させ、再度回折させて、それぞれの回折光同士を重
ね合わせて、干渉させ該干渉光を受光素子に導いて、該
回折格子スケールの相対移動にともなう周期信号を検出
することを特徴としている。
【００１５】
【発明の実施の形態】図１は本発明をロータリーエンコ
ーダに適用したときの実施形態１の光学系の要部概略図
である。
【００１６】本実施形態では適切に格子ピッチを変化さ
せた円弧状反射回折格子と、格子スケールに光束を集光
照明することによって安定した格子干渉型エンコーダを
示している。
【００１７】図１において、半導体レーザＬＤから射出
された光束Ｒは、レンズＬ１により集光光束とし、反射
膜および部分透過窓Ｗを有するビームスプリッタＢＳの
部分透過窓Ｗを透過し、反射ミラーＭ１および円環状素
子（円弧格子素子基板）ＣＧの透過部ＣＧＴに入射す
る。
【００１８】該円弧格子素子基板ＣＧの透過部ＣＧＴを
透過した光束は、ロータリーエンコーダで用いられる放
射状の回折格子スケールＧＴ上の点Ｓ１に略点状に照明
され、そこで反射回折される。
【００１９】本実施形態では、格子スケールＧＴに略点
状照明するために、レンズ（コリメータレンズ）Ｌ１に
より直接集光特性を付与し、斜入射にて照明している。
このときの±１次の反射回折光Ｒ＋、Ｒ−は、回折格子
スケールＧＴより発散光束として射出し、それぞれの光
路中に設けられた１／８波長板ＱＺ１、ＱＺ２を透過し
て、それぞれ外側（半径方向の外側）へ行くにつれて格
子ピッチが細かくなる円弧回折格子ＣＧ１、ＣＧ２上に
照明される。
【００２０】ここで該円弧回折格子ＣＧ１、ＣＧ２は、
格子ピッチを適切に変化させて配置することで、該円弧
回折格子（円環状反射格子）ＣＧ１、ＣＧ２にて再度回
折反射された特定次数の回折光は、回折格子スケールＧ
Ｔ上の点Ｓ１とは半径方向に微小異なる点Ｓ２に略点状
に再照明され、更に回折される。
【００２１】ここで、本実形態のロータリーエンコーダ
では、光束の照明位置が、点Ｓ１と点Ｓ２で半径方向に
微小に異なるため、点Ｓ２にて再回折（３度目）された
２光束の光軸方位は若干ずれることになる。しかし、両
者の光束共に点Ｓ２を仮想点光源とした場合の発散光束
であるため、２光束ともに、球面状の波面が一致するこ
とになり、２光束が共存する領域の干渉状態は非常に安
定する。
【００２２】回折格子スケールＧＴ上の点Ｓ２にて再回
折された２光束は、それぞれ光束を大部分重ね合わせて
透過部ＣＧＴ、ミラーＭ１を介し、レンズＬ２により集
光特性を付与されてビームスプリッタＢＳまで戻され
る。
【００２３】また、この２つの再回折光束は、さらに光
学軸を９０度ずらして配置された１／８波長板ＱＺ１、
ＱＺ２を往復透過しているので、互いに逆周りの円偏光
光束となっていて、ベクトル的に偏光状態を合成する
と、＋１次回折光と−１次回折光の位相差に応じて偏光
面を回転させる直線偏光になっている。
【００２４】そして、ビームスプリッタＢＳに導光され
た光束は反射面に記録された千鳥状位相格子ＧＴ４にて
反射回折され、４つの光束に分割されて、それぞれの受
光面の前面に異なる方位に偏光面を向けた４つの偏光素
子ＰＯＬ４１、ＰＯＬ４２、ＰＯＬ４３、ＰＯＬ４４よ
り成る偏光手段ＰＯＬ４を配置した４分割した受光素子
ＰＤ４１、ＰＤ４２、ＰＤ４３、ＰＤ４４より成る受光
手段（受光素子アレイ）ＰＤ４にて検出される。
【００２５】なお、±１次回折光を使用した場合は、受
光手段ＰＤ４で得られる干渉の明暗周期の変化はスケー
ル格子ＧＴの１ピッチ分の移動につき４周期である。ま
た、受光手段ＰＤ４の４つの受光素子から得られる明暗
周期信号は正弦波でありそれぞれ互いに位相がずれてい
る。
【００２６】前記４つの偏光素子の方位を互いに４５度
ずつずらせば、９０度位相がずれる。なお、本実施形態
では受光素子の数は４つであるが、通常は２つまたは３
つあれば良い。
【００２７】以上説明したように、本実施形態では適切
にピッチを変化させた円弧状等の反射回折格子ＣＧ１、
ＣＧ２と、放射状格子スケールＧＴに略点状照明する条
件とを組み合わせることで、小型で安定した高分解能の
３格子干渉型エンコーダに最適な光学系を構成してい
る。
【００２８】特に本実施形態では回折格子スケールＧＴ
上の円弧状回折格子を等ピッチではなく、適切にピッチ
を変化させた円弧状等の反射回折格子とし、さらに適切
な照明条件と組み合わせることで、小型な高分解能のエ
ンコーダ光学系を構成している。
【００２９】本実施形態では、格子スケールＧＴの格子
ピッチが変化した場合、回折光の回折角が変わり、円弧
状反射回折格子ＣＧ１、ＣＧ２に入射する位置がずれ
る。そこで、円弧状反射回折格子ＣＧ１、ＣＧ２の格子
ピッチ間隔を（例えばフレネルレンズのように）適切に
配置することで、反射回折光を元の方位に射出させてい
る。
【００３０】例えば、円弧状反射回折格子ＣＧ１、ＣＧ
２としてフレネル反射ミラーを想定する場合は、格子ス
ケールＧＴと該円弧状反射回折格子ＣＧ１、ＣＧ２との
間隔を、該円弧状反射回折格子ＣＧ１、ＣＧ２の所謂焦
点距離の２倍の関係にしている。これにより所望の光学
効果を得ている。格子スケールＧＴに再入射する光路を
元の光路と一致させ、これによって常に安定した干渉情
報を得ている。
【００３１】本実施形態のロータリーエンコーダの場合
はディスク（放射状ディスク）が半径方向にずれた場合
は、光束が入射する回折格子の格子ピッチが変わった場
合に相当し、同様の理由により安定した干渉情報を得て
いる。
【００３２】格子スケールＧＴの配列方向と、円弧状回
折格子ＣＧ１、ＣＧ２の光束入射位置における格子の配
列方位は、取付け誤差がない状態では、完全に平行にな
るが、角度がつく場合がある。この場合は、格子スケー
ルＧＴで再回折された±１次の光束が完全に一致せず、
異なる方位に射出する。
【００３３】そこで光束が、格子スケールＧＴ上の再回
折位置に点状に集光させて、そこから射出する光束の波
面が球面となり、ひろがって射出させている。±１次回
折光の主光線の光軸は上述の通りずれているが、波面は
互いに共有するので全体としては、所謂ワンカラー状態
の安定した干渉状態になる。本実施形態においては、他
の部材の取付け誤差についても同様の効果がある。
【００３４】図２は本発明の実施形態２の要部概略図で
ある。
【００３５】本実施形態は図１の実施形態１に比べて、
ミラーＭ１と円弧格子素子基板ＣＧとの間に新たにレン
ズＬ３を設けている点が異なっているだけであり、その
他の構成は同じである。
【００３６】本実施形態ではレンズＬ１とレンズＬ３に
よって光源ＬＤからの光束に対して、集光特性を付与し
て、スケール格子ＧＴに略点状に斜入射照明している。
これによって実施形態１と同様の効果を得ている。
【００３７】図３は本発明の実施形態３の要部概略図で
ある。
【００３８】本実施形態は、図１の実施形態１に比べ
て、格子スケールＧＴに略点状照明する際に、半径方向
にずらして斜入射にて点Ｓ１および点Ｓ２に照明する代
わりに格子スケールＧＴの移動方位（円弧方向）にずら
して点Ｓ１および点Ｓ２に照明している点が異なってい
るだけであり、その他の構成は同じである。これによっ
て実施形態１と同様の効果を得ている。
【００３９】以上の各実施形態において、格子スケール
ＧＴをリニアスケール格子とし、本発明をリニアエンコ
ーダに適用しても良い。
【００４０】レンズＬ１またはレンズＬ３により格子ス
ケールＧＴ上に点状照明する条件の厳密さは必要なく、
実際はビームウエストのサイズは、有限であり、また最
小集光位置が格子スケールＧＴから多少前後しても良
い。
【００４１】以上説明した各実施形態によれば、３格子
干渉光学系の第２の回折格子ＣＧに適切に格子ピッチを
変化させた円弧状反射格子を使用すること、および光束
をスケール格子ＧＴ上に略集光照明することで ◎ 小径のロータリーエンコーダ用のディスク上の放射
状格子へ光束を照明する位置が、取りつけ時の誤差やデ
ィスクの偏芯によりずれても、安定した格子干渉信号が
得られる。 ◎ 格子スケールＧＴの格子ピッチが変化しても、安定
した検出ができるので、同一サイズ（照明半径）のディ
スクにて、異なるパルス数のエンコーダが実現する。 ◎ 格子スケールの格子ピッチが変化しても、安定した
検出ができるので、ディスクと光学検出装置を分離した
所謂組込みタイプのエンコーダが容易に実現する。 ◎ 該円弧状反射格子は、ＥＢ描画や露光、ガラスエッ
チング等の半導体プロセスにより加工することが容易で
あるので量産性がある。
【００４２】
【発明の効果】本発明によれば、高分解能で安定した変
位情報が得られる３格子干渉光学系を利用した小型薄型
で小径ディスクに良好に適用できる変位情報検出装置を
達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態１の光学構成（ダイレクト
集光）の要部概略図
【図２】 本発明の実施形態２の光学構成（レンズ集
光）の要部概略図
【図３】 本発明の実施形態３の光学構成（照明位置を
横にずらした場合）の要部概略図
【図４】 従来の円弧反射格子による従来のエンコーダ
の要部概略図
【符号の説明】
ＧＴ 格子スケール ＣＧ 円弧状素子 ＬＤ 半導体レーザ、 Ｒ 光束、 Ｒ＋ ＋１次回折光、 Ｒ− −１次回折光、 ＣＧ１、ＣＧ２ 円弧状回折格子 ＰＤ４ ４分割受光素子アレイ、 Ｍ 反射面、 ＱＺ１、ＱＺ２ １／８波長板、 ＰＯＬ４ ４分割偏光板アレイ

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 光源手段からの可干渉光束を相対移動す
    る回折格子スケールに照明し、２つの異なる次数の回折
    光を発生させ、該２つの回折光を円弧または円環状の曲
    線を不等ピッチに格子状に配列した回折格子にて回折偏
    向し、該回折格子スケールに再照射させ、再度回折させ
    て、それぞれの回折光同士を重ね合わせて、干渉させ該
    干渉光を受光素子に導いて、該回折格子スケールの相対
    移動にともなう周期信号を検出することを特徴とする変
    位情報検出装置。
  2. 【請求項２】 光源手段からの可干渉光束を相対移動す
    る回折格子スケールに略点状に照明し、２つの異なる次
    数の回折光を発生させ、該２つの回折光を透明基板上に
    形成した円弧または円環線状の曲線を不等ピッチに格子
    状に配列した回折格子にて反射偏向し、該回折格子スケ
    ールに略点状に再照射させ、再度回折させて、それぞれ
    の回折光同士を重ね合わせて、干渉させ該干渉光を受光
    素子に導いて、該回折格子スケールの相対移動にともな
    う周期信号を検出することを特徴とする変位情報検出装
    置。
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