JP2003307439A - Two-dimensional encoder - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[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。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical two-dimensional encoder for measuring the amount of relative displacement of two opposing objects in a predetermined plane in the X and Y directions.
【０００２】[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。2. Description of the Related Art Conventionally, an optical encoder has been widely used for positioning in various devices such as a milling machine and a lathe which require accurate positioning of a table or the like, and particularly in a linear direction. One-dimensional (linear) encoders that measure the amount of relative displacement are widely used. The configuration and operation of this conventional one-dimensional encoder will be exemplified and described below.
【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。This conventional one-dimensional encoder is provided with a light source that emits parallel light, a main scale that transmits light from the light source through slits that are opened at predetermined intervals, and a main scale that faces the main scale. The index scale that transmits the light from the main scale in the same direction through the slit that is also opened, the photodetector that detects the light from the index scale and converts it to an electrical signal, and the photodetector And a signal processing unit that performs a predetermined signal processing on the electric signal. The main scale of this conventional one-dimensional encoder moves in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the slit in association with, for example, a table as a measurement target. The index scale is fixed at a position not interlocked with the table, and its relative position changes as the main scale moves.
【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。In the initial state, the slits of the main scale and the index scale are at positions where they overlap each other when viewed from the light source. Therefore, all the parallel light emitted from the light source and transmitted through the slit of the main scale is transmitted through the slit of the index scale, and is not blocked by a portion other than the slit of the index scale. Further, a portion of the main scale other than the slit that does not transmit light forms a shadow on the index scale, but this shadow does not fall on the slit of the index scale. The photodetector outputs the maximum electric signal in such an initial state.
【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。When the main scale moves from the initial state by a distance equal to or less than the slit interval, some slits of the main scale and the index scale overlap with each other when viewed from the light source. Therefore, of the parallel light emitted from the light source and transmitted through the slit of the main scale,
Part of the light is transmitted through the slits of the index scale, and the remaining light is blocked by parts other than the slits of the index scale. Further, the shadow formed by the portion of the main scale other than the slit that does not transmit light is applied to the index scale slit. The photodetector outputs an electric signal having a value smaller than the maximum value in such a state.
【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。Further, when the main scale moves a distance equal to the slit interval, the slits of the main scale and the index scale do not overlap each other when viewed from the light source. Therefore, the parallel light emitted from the light source and transmitted through the main scale slit is
It is not transmitted through the index scale slits at all, and is blocked by parts other than the index scale slits. Further, the shadows formed by the portions of the main scale other than the slits that do not transmit light are all over the slits of the index scale. The photodetector outputs a minimum electric signal which is almost 0 in such a state.
【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。As described above, each time the main scale moves a distance equal to the slit interval, the photodetector outputs a signal whose value periodically changes from the peak value to the minimum value.
The signal processing unit counts the number of peaks of this periodic signal. From this number it is measured how many times the main scale has moved a distance equal to the slit spacing.
【０００８】[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。In order to measure a two-dimensional displacement amount with such a conventional one-dimensional encoder,
For example, it is necessary to provide two independent tables for the X axis and the Y axis, and install a one-dimensional encoder for each of these tables. However, it may be difficult to realize a configuration in which such a table is provided, and for example, several mm.
When performing positioning in the four areas, it may be desired to measure a two-dimensional displacement amount in the area of one table. In such a case, the conventional one-dimensional encoder cannot measure the two-dimensional displacement amount.
【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。Further, the slits of the X-axis and Y-axis index scales are arranged so as to be orthogonal to each other, and the positions of the main scale slits in the initial state overlap with each other at the positions of these index scale slits when viewed from the light source. As described above, a configuration of a two-dimensional encoder in which the main scale slits are arranged in a grid pattern is also conceivable.
However, with this configuration, the light (hereinafter, referred to as “bias light”) transmitted through the slit of the main scale orthogonal to the slit of the index scale for the X-axis is always transmitted. Interference occurs.
This also applies to the Y-axis index scale slits. As a result, the minimum value of the amount of light transmitted through each slit increases up to the amount of bias light, so the amount of increase or decrease in the amount of light transmitted through each slit is 1
Compared with the configuration of the dimensional encoder, it becomes smaller (typically half), and the S / N of the signal output from the photodetector is reduced.
(Signal to noise ratio) is greatly reduced. Therefore, the processing accuracy of the signal processing unit is reduced, and the measurement accuracy of the encoder itself is reduced.
【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。Therefore, an object of the present invention is to reduce the bias light transmitted through the slit of the main scale orthogonal to the slit of the index scale for each axis and output from the photodetector. An object of the present invention is to provide a highly accurate two-dimensional encoder with improved signal S / N (signal to noise ratio).
【００１１】[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。According to a first aspect of the present invention, a relative displacement amount of two opposing objects in a predetermined plane on a predetermined plane in an X direction which is a first direction and a Y direction which is a second direction. Is a two-dimensional encoder for measuring the light source, which is provided on one of the two objects and a light source that emits coherent light having a predetermined wavelength λ, and is repeated at a first cycle p in the X direction and at the first direction in the Y direction. The main scale that transmits or reflects the light emitted by the light source by a periodic pattern that is repeated in a second period q that is different from the first period p, and the X that is provided in the other of the two objects and that the main scale has.
Direction is imaged in a periodic pattern and the periodic pattern repeated in the Y direction is not imaged away from the main scale by a first distance, and light transmitted or reflected by the main scale is directed in the X direction. Of the first index scale that transmits or reflects only the amount of light corresponding to the relative displacement of the second object and the periodic pattern of the main scale, which is repeated in the X direction, does not form an image and is repeated on the Y scale. The second scale is separated from the main scale by a second distance in which a periodic pattern is repeated, and transmits or reflects the light transmitted or reflected by the main scale by a light amount corresponding to the relative displacement amount in the Y direction. Detecting light transmitted or reflected by the second index scale and the first index scale. A first light receiving element which outputs a first electric signal by means of: a second light receiving element which outputs a second electric signal by detecting light transmitted or reflected by the second index scale; Signal processing means for outputting a signal indicating a relative displacement amount in the X direction and the Y direction based on the first and second electric signals output from the first and second light receiving elements. Characterize.
【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。According to the first invention, the periodic pattern of the main scale, which is repeated in the Y direction, does not form an image, and the second index scale is repeated in the X direction. Since the periodic pattern does not form an image, the index scale is not affected by unnecessary bias light, and the range of increase or decrease in the amount of light received by the photodetector becomes large. Therefore, the S of the signal output from the photodetector is increased. It is possible to provide a highly accurate two-dimensional encoder with improved / N.
【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。In a second aspect based on the first aspect, the first distance is calculated based on a value selected from p 2 · λ · m / 2 (m is a natural number), and the second distance is calculated. Is q 2
It is characterized in that it is calculated based on a value selected from λ · n / 2 (n is a natural number).
【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。According to the second invention, the first and second index scales are provided at a distance from the main scale by the Talbot distance or the fractional Talbot distance, and the main scale and the first or second index scale. As in the case where the index scale distance is 0, the main scale pattern can be imaged on the first or second index scale.
【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。In a third aspect based on the first aspect, the first period p and the second period q are 2: 3 or 3:
It is characterized in that it is selected from a value that is a ratio of 2.
【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。According to the third aspect, the signal processing means can use the quadruple multiplication circuit and the six multiplication circuit having a general circuit configuration, so that the signal processing means can have a simple configuration. it can.
【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。In a fourth aspect based on the first aspect, there is further provided a base material having a refractive index a greater than 1 which is provided in parallel with the main scale and transmits light from the main scale. 1 index scale is formed on a predetermined first surface of the base material, and the second index scale is formed on a second surface of the base material that is parallel to the first surface. Characterize.
【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。According to the fourth invention, the first and second index scales are formed on the base material. With this configuration, if the position of the base material is accurately adjusted, the distance between the scales can be set accurately and easily. Further, with this configuration, the geometric distance can be shortened without changing the optical path length as compared with the case where each index scale is not formed on the base material, so that the entire apparatus can be made more compact.
【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−ｑ 2 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。A fifth aspect of the invention is the same as the fourth aspect of the invention.
Thickness of the substrate, which is the distance between the first surface and the second surface
Is | p2 mq 2 n | λ / (2a) (m and n are natural
It is a value selected from (number).
【００２０】[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。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION An embodiment of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. <1.2-Dimensional Encoder Configuration> FIG. 1 is a side view showing a schematic configuration of a two-dimensional encoder according to an embodiment of the present invention. The two-dimensional encoder includes a light source 10 such as a laser that emits coherent light having a wavelength λ, a collimator lens 20 that converts light from the light source 10 into parallel light, and reflects parallel light from the collimator lens 20 to change the optical path. Plane mirror 30, a main scale 40 that transmits light from the plane mirror 30 in a lattice pattern arranged at a predetermined interval, and a base material 50 having a refractive index a that transmits light from the main scale 40. And an X-axis index scale 61 formed on a predetermined surface of the base material 50 facing the main scale 40 and transmitting light from the main scale 40 through slits arranged in parallel at predetermined intervals,
The light from the main scale 40 is formed on the opposite surface parallel to the predetermined surface of the base material 50 facing the main scale 40 in a direction orthogonal to the slit of the X-axis index scale 61 at a predetermined interval different from the slit. An Y-axis index scale 62 that is transmitted through slits arranged in parallel, and an X-axis photodetector 71 that detects light from the X-axis index scale 61 and converts it into an electrical signal Sx.
A Y-axis photodetector 72 that detects light from the Y-axis index scale 62 and converts it into an electrical signal Sy, and the electrical signals Sx and Sy are input and predetermined signal processing is performed to perform the X-axis direction and the Y-axis direction. Signal processing unit 80 that outputs a signal indicating the amount of displacement.
【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６
２とメインスケール４０との相対位置が変化する。The main scale 40 is formed, for example, by vapor-depositing a mask pattern that does not reflect light on a thin glass substrate, and is fixed to a table (not shown) that is a measurement target that requires positioning. In addition, the X-axis index scale 61 is provided on the predetermined surface of the base material 50, and Y is provided on the surface that does not overlap with the flat mirror 30 on the opposite side.
The axis index scales 62 are each formed by vapor-depositing a mask pattern that does not reflect light, and the base material 50 is fixed at a position that is not affected by the movement of the table. Main scale 40 is in the X-axis direction and Y
By moving in the axial direction, the X-axis index scale 61 and the Y-axis index scale 6 are moved.
The relative position between 2 and the main scale 40 changes.
【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。<2. Configuration and Operation of Main Scale and Index Scale> FIG. 2 shows an X-axis index scale 61 and a Y-axis index scale 62.
4 is a plan view showing the slit configuration of FIG. 3, and FIG. 3 is a plan view showing the pattern configuration of the main scale 40. In addition,
The X-axis direction is the horizontal direction in the figure, and the Y-axis direction is the vertical direction in the figure. Also, the portions corresponding to the mask pattern that does not transmit light are shaded.
【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。The slits of the Y-axis index scale 62 shown in FIG. 2A are periodically arrayed in the Y-axis direction with the X-axis direction as the longitudinal direction, and the distance between the center lines of the adjacent slits (hereinafter The term "slit interval" or "period") is q. The slits of the X-axis index scale 61 shown in FIG. 2B are arranged periodically in the X-axis direction with the Y-axis direction as the longitudinal direction, and the slit interval is p. Further, the main scale 40 shown in FIG. 3 has the same pattern as that formed when the slits of the X-axis index scale 61 and the slits of the Y-axis index scale 62 are superposed on the same plane so as to be orthogonal to each other. It has a lattice-shaped light transmitting portion pattern having a shape. Therefore, the main scale 40
Will include the same pattern as the X-axis index scale 61 and the same pattern as the Y-axis index scale 62. Therefore, in the main scale 40, the distance between the light transmitting portions periodically arranged in the X-axis direction is p, and the distance between the light transmitting portions periodically arranged in the Y-axis direction is q.
【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＝ｄ
2 ・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」
（Ｏ Ｐｌｕｓ Ｅ Ｖｏｌ．２３，Ｎｏ．５，ｐ６０
３〜 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。Next, an image formed by the pattern of the main scale 40 will be described. Plane mirror 30
When only the straightness of the light from the main scale 40 is taken into consideration, the light transmitted by the main scale 40 travels straight infinitely, so that the grid pattern of the main scale 40 should form an image with the same shape at any position. However, in consideration of light diffraction or interference, a pattern having a periodic structure that receives coherent parallel light has a Talbot distance z = where the period of the periodic structure is d, the wavelength of light is λ, and the natural number is n. d
It is known to form an image at 2 · λ · n. This phenomenon is called the Talbot effect. Regarding the Talbot effect, for example, "Talbot effect"
(O Plus E Vol. 23, No. 5, p60
3 to May 2001) and the like,
Detailed explanation is omitted.
【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（ｆｒａｃｔ
ｉｏｎａｌ）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／２
４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。The pattern is a fractional fraction which is a fractional multiple of the Talbot distance z.
It is known that an image is also formed at the (Ional) Talbot distance. This formed image is called a fractional Talbot image. This fractional Talbot image is
It is generally known that an image is formed with a size of 1/2 at a distance of z · (2n−1) / 2. Depending on the shape of the pattern, other distances (for example, 3z / 8 and 7z / 2
An image may be formed with a weak intensity even at a distance of 4). These are disclosed in, for example, "Talbot array illuminator and its application" (Optical Alliance March 1998, p12-) and the like, and detailed description thereof will be omitted.
【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。As described above, in consideration of light diffraction or interference, the grid pattern of the main scale 40 which receives coherent parallel light forms an image at the Talbot distance or the fractional Talbot distance. However, since the light transmission part of the lattice-like pattern has a periodic structure with a period p in the X-axis direction and a periodic structure with a period q in the Y-axis direction as shown in FIG. 3, the Talbot distance zx =
The same pattern as that of the X-axis index scale 61 included in the main scale 40 is imaged on p 2 · λ · m (m is a natural number), and on the main scale 40 at the Talbot distance zy = q 2 · λ · n. The same pattern as the included Y-axis index scale 62 is imaged. Also, the fractional Talbot distance zx ′ = p 2 · λ ·
The image is also formed at (2m-1) / 2 and the fractional Talbot distance zy '= q 2 λ (2n-1) / 2.
The imaged pattern is an X-axis index scale 61.
And 1 / of the Y-axis index scale 62
Since the pattern has a size of 2, it is necessary to change the X-axis index scale 61 and the Y-axis index scale 62 to patterns each having a size of 1/2.
【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ｚ
ｘ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。Therefore, the X-axis index scale 61 is located at the Talbot distance z from the main scale 40.
x or a fractional Talbot distance zx ′, that is, a distance of p 2 · λm / 2. The distance between the main scale 40 and each index scale is 0 by the configuration provided at a distance apart by ', that is, a distance apart by q 2 · λ · n / 2. It can be imaged on the index scale.
【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。Here, p 2 · λ · m / 2 and q 2 · λ · n
/ 2 is not equal, typically if m and n are equal and p and q are chosen to be relatively prime (eg, p = 2, q = 3). , An X-axis index scale 61 included in the main scale 40
The same pattern as is imaged on the X-axis index scale 61, and the same pattern as the Y-axis index scale 62 included in the main scale 40 is not imaged on the X-axis index scale 61. . Similarly, the same pattern as the Y-axis index scale 62 included in the main scale 40 is imaged on the Y-axis index scale 62, and the same pattern as the X-axis index scale 61 included in the main scale 40 is formed. No image is formed on the Y-axis index scale 62.
【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７
１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。Therefore, if the X-axis index scale 61 is arranged at the Talbot distance satisfying these conditions, the X-axis index scale 61 included in the main scale 40 orthogonal to the slit of the X-axis index scale 61 is included. Since the light (bias light) transmitted in the same pattern as in (1) and (2) is reduced and the range of increase / decrease in the amount of light transmitted in the slit becomes large, the X-axis photodetector 7
The S / N of the signal output from 1 is improved. Similarly, if the Y-axis index scale 62 is arranged at a Talbot distance satisfying these conditions, it is the same as the Y-axis index scale 62 included in the main scale 40 orthogonal to the slit of the Y-axis index scale 62. The light transmitted through the pattern (bias light) is reduced, and the range of increase / decrease in the amount of light transmitted through the slit increases, so that the S of the signal output from the Y-axis photodetector 72 is increased.
/ N is improved. Here, as an example, FIG. 2 and FIG.
The slit intervals p and q shown in are selected from the values having a ratio of 2: 3.
【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。Next, between the X-axis index scale 61 and the Y-axis index scale 62, a base material 50 having a refractive index a for transmitting light is interposed. Here, it is known that the optical path length of light passing through a medium having a refractive index a is a times the optical path length of light passing through a vacuum. That is, if the optical path length is the same, the geometrical distance that the light passing through the medium having the refractive index a becomes 1 / a of the geometrical distance that the light passing through the vacuum travels. Therefore, the geometrical distance between the X-axis index scale 61 and the Y-axis index scale 62, that is, the thickness of the base material 50 is the geometrical distance between the X-axis index scale 61 and the main scale 40 and Y. Difference between the geometrical distance between the axis index scale 62 and the main scale 40 | p 2 · λ · m / 2
Since it is 1 / a of −q 2 · λ · n / 2 |, | p 2 m−
q 2 n | λ / (2a). Therefore, by adjusting the position where the base material 50 is installed so that the distance from the main scale 40 to the bottom surface of the base material 50 (that is, the X-axis index scale 61) is p 2 · λ · m / 2. , All distances between each scale are adjusted appropriately.
【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。<3.2 Operation of Two-Dimensional Encoder> The operation of measuring the relative displacement amount in the X and Y directions of the two-dimensional encoder according to the embodiment of the present invention will be described below.
【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。In the initial state, the light transmitting portion pattern of the main scale 40, the slit of the X-axis index scale 61, and the slit of the Y-axis index scale 62 are at positions where they overlap each other when viewed from the plane mirror 30. Therefore, all the light transmitted through the light transmitting portion pattern of the main scale 40 is transmitted through the slits of the X-axis index scale 61 or the Y-axis index scale 62 and does not form an image on a portion other than the slits. Further, a portion of the main scale 40 that does not transmit light (mask pattern portion) is also imaged on the X-axis index scale 61 and the Y-axis index scale 62. This image is for the X-axis index scale 61 and the Y-axis. It does not reach the slit of the index scale 62. The X-axis photodetector 71 and the Y-axis photodetector 72 output maximum electric signals Sx and Sy in such an initial state.
【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。When the main scale 40 is moved in the X-axis direction by a distance equal to or smaller than the slit distance from the initial state, a part of the light transmitting portion pattern having the same shape as the X-axis index scale 61 included in the main scale 40 and the X-axis are formed. A part of the slit of the axis index scale 61 overlaps when viewed from the plane mirror 30. Therefore, the light-transmitting part pattern having the same shape as that of the X-axis index scale 61 included in the main scale 40 forms an image on the X-axis index scale 61 in a partially overlapped state. A part of the light transmitted through the transmission part is transmitted through the slit of the X-axis index scale 61. Further, a part of a shadow formed by a portion (a part of the mask pattern portion) having the same shape as the X-axis index scale 61 included in the main scale 40 and not transmitting light is a slit of the X-axis index scale 61. Image on top. The X-axis photodetector 71 outputs the electric signal Sx having a value smaller than the maximum value in such a state. It should be noted that the same description can be applied to the case of moving a distance equal to or smaller than the slit interval in the Y-axis direction from the initial state.
【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。When the main scale 40 is further moved in the X-axis direction by a distance equal to the slit interval, a part of the light transmitting portion pattern having the same shape as the X-axis index scale 61 included in the main scale 40 and the X-axis pattern. The slit of the index scale 61 is a flat mirror 30.
Seen from each other, they do not overlap each other. Therefore, the main scale 40 is included in the X-axis index scale 61.
The light transmitted through the slits of the main scale 40 except for the slits of the X-axis index scale 61 because the light-transmitting portion patterns having the same shape as the X-axis index scale 61 of FIG. Is blocked by the part that does not transmit the light. In addition, the shadow formed by the portion that does not transmit light and has the same shape as the X-axis index scale 61 included in the main scale 40 is X.
An image is formed on the slit of the axis index scale 61. Here, as described above, the light transmitting portion pattern having the same shape as the Y-axis index scale 62 included in the main scale 40 does not form an image on the X-axis index scale 61, as described above. The amount of the bias light transmitted through the slit of the axis index scale 61 becomes small. The X-axis photodetector 71 outputs the minimum value of the electric signal Sx in such a state. The same description can be applied to the case of moving a distance equal to the slit interval from the initial state in the Y-axis direction.
【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。As described above, every time the main scale 40 moves in the X direction by a distance equal to the slit interval, the X-axis photodetector 71 causes the periodic electric value to change from the maximum value to the minimum value. The signal Sx is output. Similarly, each time the main scale 40 moves in the Y direction by a distance equal to the slit interval, the Y-axis photodetector 72 outputs an electric signal Sy whose value changes periodically. These electrical signals Sx,
The waveform of Sy is a slightly dull triangular wave corresponding to the linear value change from the minimum value to the maximum value and the linear value change from the maximum value to the minimum value. .
【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。The signal processing unit 80 measures these periodically changing electric signals Sx and Sy and counts the number of peak values thereof. Specifically, these signals are pulsed by a known waveform shaping circuit, and the number of pulses is counted by a known counter circuit. However, the interval between the slits arranged in the X direction and the interval between the slits arranged in the Y direction have a 2: 3 relationship when p = 2 and q = 3, so count in the X direction and the Y direction respectively. In order to match the relationship between the number
The electric signal Sx is multiplied by 4 by the 4 times multiplying circuit, and the electric signal Sy is multiplied by the 6 times multiplying circuit by which the frequency of the signal is multiplied by 6.
Is multiplied by 6. Then, each time one pulse is counted, 2/4 = 3 / in the X-axis direction and the Y-axis direction, respectively.
The moving distance can be measured by 6 = 0.5. Therefore, the resolution is improved as compared with the case where no multiplication is performed, and the movement distances in the X-axis direction and the Y-axis direction are similarly measured from the counted numbers.
【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６
２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。<4. Effect> In one embodiment of the present invention, X
The numbers p and q of the slit intervals (and the intervals of the corresponding light transmitting portion patterns of the main scale 40) p and q of the axis index scale 61 and the Y axis index scale 62 are typically relatively prime (for example, p = 2. q = 3), the main scale 40, the X-axis index scale 61, and the Y-axis index scale 6
The distance from 2 is configured to be separated by the Talbot distance or the fractional Talbot distance. With this configuration, the amount of light (bias light) that is transmitted through the light transmission portion pattern portion of the main scale 40 that is orthogonal to the slits of these index scales is reduced, and the light is transmitted through each slit. Since the increase / decrease width of the emitted light amount becomes large, the S / N ratio of the signals output from the photodetectors 71 and 72 can be improved.
【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。In one embodiment of the present invention, p = 2
Since q = 3, it is possible to use in the signal processing unit 80 a 4 × circuit and a 6 × circuit that have simple circuit configurations that are generally widely used, so that the signal processing unit 80 can be simply configured. it can.
【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
｜ｐ 2 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。Further, in one embodiment of the present invention, for the X-axis
Index scale 61 and index scale for Y-axis
The geometrical distance from the base 62, that is, the thickness of the substrate 50
｜ p 2 mq2 n | λ / (2a)
It With this configuration, it is possible to accurately adjust the position of the base material 50.
Setting the distance between each scale accurately and easily
You can Further, with this configuration, each index is formed on the base material 50.
Change optical path length more than when no x-scale is formed
You can reduce the geometric distance without
The entire device can be configured more compactly.
It
【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。<5. Modified Example> In the above-described embodiment, the main scale 40, the X-axis index scale 61, and the Y-axis index scale 62 are arranged with slits that transmit light. However, the main scale 40, the X-axis index scale 61, and the Y-axis
One or more of the axis index scales 62 may have a shape similar to that of the slit and may include a reflection region that reflects light and a non-reflection region other than the reflection region. In this configuration, the parallel and coherent light emitted from the light source 10 enters the main scale 40, and the light transmitted or reflected by the main scale 40 enters the X-axis index scale 61 and the Y-axis index scale 62. The light transmitted or reflected by the X-axis index scale 61 reaches the X-axis photodetector 71, and the light transmitted or reflected by the Y-axis index scale 62 reaches the Y-axis photodetector 72. An optical path is set up to reach each component.
【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。Further, in the above embodiment, the distance between the main scale 40 and the X-axis index scale 61 and the Y-axis index scale 62 is the Talbot distance z.
Or it is configured to be separated by a fractional Talbot distance. However, if the light (bias light) transmitted through the slits of the main scale 40 orthogonal to these slits of the index scale is not transmitted, the distance at which the image is not formed with 100% intensity (for example, 3z / 8).
Or a distance such as 7z / 24).
【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。In the above embodiment, the X-axis index scale 61 and the Y-axis index scale 62 are formed on a predetermined surface of the base material 50. It does not have to be formed on a predetermined surface, and a configuration in which the base material 50 is omitted is also possible.
【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。FIG. 1 is a side view showing a schematic configuration of a two-dimensional encoder according to an embodiment of the present invention.
【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。FIG. 2 is a plan view showing slit configurations of an X-axis index scale and a Y-axis index scale in the above embodiment.
【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。FIG. 3 is a plan view showing a pattern configuration of a main scale in the embodiment.
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10 ... Light source 20 ... Collimator lens 30 ... Plane mirror 40 ... Main scale 50 ... Base material 61 ... X-axis index scale (first index scale) 62 ... Y-axis index scale (second index scale) 71 ... X Axis photodetection section (first light receiving element) 72 ... Y-axis photodetection section (second light receiving element) 80 ... Signal processing section (signal processing means) Sx, Sy ... Electrical signals (first and second Electrical signal) p ... slit interval in X-axis direction q ... slit interval in Y-axis direction
Claims (5)
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。1. A two-dimensional encoder for measuring a relative displacement amount of two opposing objects in a first direction, an X direction, and a second direction, a Y direction, on a predetermined plane, wherein a predetermined wavelength λ A light source that emits coherent light, and is provided on one of the two objects and is repeated at a first cycle p in the X direction and at a second cycle q different from the first cycle p in the Y direction. A main scale that transmits or reflects the light emitted from the light source according to the periodic pattern, and a periodic pattern that is provided on the other of the two objects and that is repeated in the X direction of the main scale forms an image and is repeated in the Y direction. The periodic pattern is separated from the main scale by a first distance that does not form an image, and the light transmitted or reflected by the main scale depends on the relative displacement amount in the X direction. A first index scale that transmits or reflects only the amount of light, and a periodic pattern that is provided on the other of the two objects and that does not form a periodic pattern that is repeated in the X direction and that is repeated in the Y direction that the main scale has A second index scale that is separated from the main scale by a second distance for forming an image, and that transmits or reflects light transmitted or reflected by the main scale by an amount of light corresponding to a relative displacement amount in the Y direction; A first light receiving element for outputting a first electric signal by detecting light transmitted or reflected by the first index scale; and detecting light transmitted or reflected by the second index scale. And a second light receiving element that outputs a second electric signal by That the first
And a signal processing unit that outputs a signal indicating a relative displacement amount in the X direction and the Y direction based on a second electric signal.
（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。2. The first distance is p 2 · λ · m / 2
It is calculated based on a value selected from (m is a natural number), and the second distance is calculated based on a value selected from q 2 · λ · n / 2 (n is a natural number). ,
The two-dimensional encoder according to claim 1.
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。3. The first period p and the second period q
The two-dimensional encoder according to claim 1, characterized in that is selected from values having a ratio of 2: 3 or 3: 2.
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。4. A base material, which is provided in parallel to the main scale and has a refractive index a greater than 1, which transmits light from the main scale, further comprises: The first index surface is formed on a predetermined first surface, and the second index scale is formed on a second surface of the base material which is parallel to the first surface. Two-dimensional encoder.
ある前記基材の厚さは、｜ｐ2 ｍ−ｑ2 ｎ｜λ／（２
ａ）（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。5. The thickness of the substrate, which is the distance between the first surface and the second surface, is | p 2 m−q 2 n | λ / (2
The two-dimensional encoder according to claim 4, wherein the value is a) (m and n are natural numbers).
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|---|---|---|---|---|
| JP2006030178A (en) * | 2004-07-16 | 2006-02-02 | Carl Zeiss Jena Gmbh | Microscope with high-degree resolution |
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| CN101982887A (en) * | 2010-09-08 | 2011-03-02 | 常州亿晶光电科技有限公司 | Observation frame for detecting stacked piece to be laminated |
| JP2014106232A (en) * | 2012-11-26 | 2014-06-09 | Dr Johannes Heidenhain Gmbh | Optical positioning device |
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2002
- 2002-04-15 JP JP2002112279A patent/JP3803607B2/en not_active Expired - Fee Related
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