JP2003302259A - 変位情報検出装置 - Google Patents
変位情報検出装置Info
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Abstract
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
ある。
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。
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。
ある。
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。
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。
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。
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。
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。
集光)の要部概略図
光)の要部概略図
横にずらした場合)の要部概略図
の要部概略図
Claims (2)
- 【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。 - 【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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