JP2005308474A - 光学式変位測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 スケール等を傷つけることなく、ｚ軸回りの姿勢を容易に調整することができる光学式変位測定装置を提供する。
【解決手段】 光学式変位測定装置は、ｚ軸回りの姿勢検出用の第１受光部２９-１及び第２受光部２９-２を備える。第１受光部２９-１は光学格子２１-１とフォトダイオード２５-１で構成され、第２受光部２９-２は光学格子２１-２とフォトダイオード２５-２で構成される。光学格子２１-１，２１-２は、ｚ軸回りの姿勢がずれていない状態で干渉縞３１の筋である暗部３５の方向に対して斜めの位置関係にある遮光部３７がｘ軸に沿って配置されたものである。光学格子２１-１，２１-２は、ｚ軸回りの姿勢がずれていない状態でｘ軸（測定軸）に対して同じ大きさ（角度φ）で互いに逆に傾くように配列されている。
【選択図】 図５

Description

本発明は、デジタル式ノギス、リニヤゲージ、リニヤスケール等に応用される、光学式変位測定装置に関する。

従来から直線変位や角度変位等の高精度な測定に光学式変位測定装置が利用されている。光学式変位測定装置は、例えば、光学格子が設けられると共に測定軸方向に延びるスケール及びこのスケールに沿って移動可能なセンサヘッドにより構成される。センサヘッドは、光源部及び受光部を備える。受光部は、例えば、四つのフォトダイオード（以下ＰＤと記載する場合もある）と、各ＰＤの受光面に対応して配置された互いに位相の異なる四つの光学格子と、を含む。

光学式変位測定装置の動作を簡単に説明する。センサヘッドをスケールに沿って移動させながら光源部からの光をスケールの光学格子を介して受光部の四つの光学格子に照射する。つまり、受光部の光学格子をスケールの光学格子に対して相対移動させながら、光源部からの光をスケールの光学格子に照射して生成された干渉縞（明暗パターン）を受光部の光学格子に照射するのである。これにより、光の強弱が正弦波状に変化する四つの光信号が生成される。これらの光信号は互いに位相が異なっている。これらの光信号は各位相に対応するＰＤで受光され、光電変換されて発生した電気信号を利用して直線などの変位量が測定される。

位相の異なる四つの光信号とは、Ａ相（０度）の光信号、Ａ相より９０度だけ位相がずれたＢ相（９０度）の光信号、Ａ相より１８０度だけ位相がずれたＡＡ相（１８０度）の光信号およびＡ相より２７０度だけ位相がずれたＢＢ相（２７０度）の光信号のことである。Ａ相およびＢ相の光信号を利用するのは、先に検出されるのがＡ相かＢ相かによって、受光部の相対移動の方向を判断するためである。また、Ａ相やＢ相以外にこれらを反転させた、ＡＡ相やＢＢ相を利用するのは、Ａ相やＢ相の光信号に含まれる直流成分の除去、並びに、光信号の信頼性及び高速追従性の確保のためである。

光学式変位測定装置は高精度測定を実現する精密機器であるため、スケール等の部品を組み立てて光学式変位測定装置を作製する際に軸回りの姿勢が調整される。軸とは、スケールの長手方向であるｘ軸（測定軸）、スケールの光学格子が設けられた表面と平行でかつｘ軸と直交するｙ軸、ｘ軸やｙ軸と直交するｚ軸のことである。

軸回りの姿勢調整が容易にできると、その分だけ、光学式変位測定装置の組み立てに手間がかからないので望ましい。ｚ軸回り（モアレ方向）の姿勢変動に対する許容度を大きくすることにより、ｚ軸回りの姿勢調整を容易した技術が例えば特許文献１に開示されている。
特開２０００−２４１１９８号公報（段落００１１〜００１４、図２、図３）

従来、センサヘッドをスケールに対して相対移動させてＰＤの最大出力を検出しながら、軸回りの姿勢を調整していたので、この点からは、軸回りの姿勢調整がまだ面倒であった。また、軸回りの姿勢のずれが大きい状態で上記相対移動させると、センサヘッドとスケールとが接触しながら上記相対移動させる可能性があり、センサヘッドやスケールを傷つけるおそれがあった。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、スケール等を傷つけることなく、軸回りの姿勢を容易に調整することができる光学式変位測定装置を提供することを目的とする

本発明に係る光学式変位測定装置は、光源部と、前記光源部からの光が照射されることにより干渉縞を生成するスケール格子が設けられると共に測定軸方向に延びるスケールと、前記スケールに対向し、前記光源部と一緒に前記スケールに対して前記測定軸方向に相対移動しながら前記干渉縞を受光して、前記相対移動の量に対応した信号を出力するメイン受光部と、前記メイン受光部から前記スケールに向けて前記測定軸と直交するように延びる軸に対する軸回りの姿勢検出用の信号を、前記干渉縞を受光することにより出力する姿勢検出用の少なくとも１組の第１及び第２受光部と、を備え、前記第１及び第２受光部は、前記軸回りの姿勢がずれていない状態で前記干渉縞の筋の方向に対して斜めの位置関係にある細長部を前記干渉縞と向かい合うように配列されて構成される光学格子を含み、前記第１及び第２受光部の前記光学格子の前記細長部は、前記軸回りの姿勢がずれていない状態で前記測定軸に対して同じ大きさで互いに逆に傾くように配列されている、ことを特徴とする。

本発明に係る光学式変位測定装置によれば、メイン受光部からスケールに向けて測定軸と直交するように延びる軸に対する軸回りの姿勢検出用の第１及び第２受光部を備えている。第１及び第２受光部は光学格子を含み、軸回りの姿勢がずれていない状態で光学格子の細長部は、干渉縞の筋の方向に対して斜めになるような位置関係にあり、かつ測定軸に対して同じ大きさで互いに逆に傾くように配列されている。

したがって、軸回りの姿勢がずれている場合、第１受光部で受光される光量と第２受光部で受光される光量とに差が生じ、これに対して、軸回りの姿勢がずれていない場合、これらの光量が同じになる。よって、メイン受光部を光源部と一緒にスケールに対して相対移動させることなく、静止させた状態で軸回りの姿勢を検出できるので、これを基に軸回りの姿勢を調整することができる。

本発明に係る光学式変位測定装置において、姿勢検出用の少なくとも１組の第３及び第４受光部を備え、前記第３及び第４受光部は、前記軸回りの姿勢がずれていない状態で前記干渉縞の筋の方向に対して斜めの位置関係にある細長部を前記干渉縞と向かい合うように配列されて構成される光学格子を含み、前記第３及び第４受光部の前記光学格子の前記細長部は、前記軸回りの姿勢がずれていない状態で前記測定軸に対して同じ大きさで互いに逆に傾くように配列されており、前記第３及び第４受光部の前記光学格子の前記細長部の前記測定軸に対する傾きの大きさは、前記第１及び第２受光部のそれと異なる、ようにすることができる。これによれば、より効率的に軸回りの姿勢を調整することができる。

本発明に係る光学式変位測定装置において、姿勢検出用の少なくとも１組の第３及び第４受光部を備え、前記第３及び第４受光部は、前記軸回りの姿勢がずれていない状態で前記干渉縞の筋の方向に対して斜めの位置関係にある細長部を前記干渉縞と向かい合うように配列されて構成される光学格子を含み、前記第３及び第４受光部の前記光学格子の前記細長部は、前記軸回りの姿勢がずれていない状態で前記測定軸に対して同じ大きさで互いに逆に傾くように配列されており、前記第３受光部の前記光学格子の前記細長部の位相は前記第１受光部のそれと異なり、前記第４受光部の前記光学格子の前記細長部の位相は前記第２受光部のそれと異なる、ようにすることができる。

これによれば、たとえ、軸回りの姿勢がずれた状態で、第１・第２受光部の組及び第３・第４受光部の組のうち一方の組において、受光量が同じになる状況が発生しても、他方の組は一方の組と細長部の位相が異なるため、受光量に差が生じるようにすることができる。したがって、より確実に軸回りの姿勢の調整ができる。

本発明に係る光学式変位測定装置において、前記第１及び第２受光部の前記光学格子の前記細長部は、半導体基板に不純物領域を形成してなる受光素子で構成され、前記第１受光部の前記受光素子と前記第２受光部の前記受光素子とが交互に配置されている、ようにすることができる。これによれば、受光素子上にゴミや汚れがあってもその影響小さくすることができる。

本発明に係る光学式変位測定装置によれば、スケールの相対移動量に対応した信号を出力するメイン受光部を光源部と一緒にスケールに対して相対移動させることなく、静止させた状態で、メイン受光部からスケールに向けて測定軸と直交するように延びる軸に対する軸回りの姿勢を検出することができる。このため、上記軸回りの姿勢調整が容易となる。また、姿勢調整の際にスケール等を傷つけるおそれをなくすことができる。

以下、図面を参照して、本発明に係る光学式変位測定装置の第１〜第５実施形態を説明する。第２〜第５実施形態を説明する図において、既に説明した実施形態の符号で示すものと同一のものについては、同一符号を付すことにより説明を省略する。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る光学式変位測定装置１の概略構成を示す図である。この実施形態は、ｚ軸（メイン受光部からスケールに向けて測定軸と直交するように延びる軸）回りの姿勢検出用の第１及び第２受光部を備えたことを主な特徴とするが、この理解の前提として光学式変位測定装置１について説明する。装置１は、ｘ軸（装置１の測定軸）方向に延びた長尺状のスケール３と、ｘ軸方向に移動可能なセンサヘッド５と、を備える。

スケール３はガラス等の透明材料で構成され、図１にはスケール３の一部が表れている。スケール３の表面７には光学格子９（スケール格子の一例）が設けられている。光学格子９は、ｙ軸に延びる細長の遮光部１１が所定のピッチを設けてｘ軸に沿ってリニヤ状に配置されたものである。遮光部１１は金属（例えばクロム）などから構成される。ここで、ｙ軸はスケール３の表面７と平行であり、ｘ軸と直交している。ｚ軸は、本実施形態において軸回りの姿勢調整の対象となる軸であり、ｘ軸及びｙ軸と直交している。

センサヘッド５は光源部１３を備え、光源部１３は、スケール３の表面７と反対の面側に配置されている。光源部１３は、発光ダイオードと、発光ダイオードから出射された光をコリメートするコリメートレンズと、を備える。これにより、光源部１３からは平行光Ｌが出される。平行光Ｌは、スケール３の光学格子９（スケール格子の一例）に照射され、ここで回折されて干渉縞が生成される。なお、光源部１３には発光ダイオードの替わりにレーザ（ＬＤ）を用いることもできる。

センサヘッド５は、スケール３の表面７側に配置され、ガラス等の透明材料で構成されるインデックス基板１５を備える。インデックス基板１５には、四つの光学格子１７（つまり、光学格子１７Ａ，１７Ｂ，１７ＡＡ，１７ＢＢ）が光源部１３及び光学格子９と対向するように形成されている。光学格子１７は、ｙ軸に延びる細長の遮光部１９が所定のピッチを設けてｘ軸に沿ってリニヤ状に配置されたものである。

光学格子１７Ａの位相空間を０度とすると、光学格子１７Ｂの位相空間が９０度、光学格子１７ＡＡの位相空間が１８０度、光学格子１７ＢＢの位相空間が２７０度となるように、これらの格子のピッチが規定されている。また、インデックス基板１５には、スケール３の光学格子９及び光源部１３と対向するように光学格子２１-１，２１-２が形成されている。光学格子２１-１，２１-２は、ｚ軸回りの姿勢検出用の第１及び第２受光部を構成する要素となる。光学格子２１-１，２１-２については後で説明する。

センサヘッド５は、スケール３の表面７側に、インデックス基板１５よりもスケール３から離れて位置する四つのフォトダイオード２３及びフォトダイオード２５-１，２５-２を備える（以下、これらのフォトダイオードをＰＤと記載する場合もある）。ＰＤ２３Ａ，２３Ｂ，２３ＡＡ，２３ＢＢは、それぞれ、光学格子１７Ａ，１７Ｂ，１７ＡＡ，１７ＢＢと対向している。また、ＰＤ２５-１，２５-２は光学格子２１-１，２１-２と対向している。

四つのフォトダイオード２３及び四つの光学格子１７により、メイン受光部２７が構成される。メイン受光部２７は、スケール３に対向し、光源部１３と一緒にスケール３に対してｘ軸（測定軸）方向に相対移動しながら干渉縞を受光して、この相対移動の量に対応した信号を出力する素子である。

第１受光部２９-１は、光学格子２１-１とこれを透過した光を受光するＰＤ２５-１により構成され、第２受光部２９-２は、光学格子２１-２とこれを透過した光を受光するＰＤ２５-２により構成される。これら二つの受光部は、ｚ軸（メイン受光部２７からスケール３に向けて測定軸と直交するように延びる軸）に対する軸回りの姿勢検出用の素子である。

光学式変位測定装置１は、固定されたスケール３に対して、センサヘッド５を移動させることにより、変位量を測定する。この変位量測定の動作は、背景技術の欄で説明したとおりである。

ここで、ｚ軸回り（モアレ方向）の姿勢のずれについて説明する。図２及び図３はインデックス基板１５の一つの光学格子１７と干渉縞３１との位置関係を示す図である。ｚ軸は図示されていないが、図２や図３の紙面に対して垂直な方向（ｘ軸及びｙ軸と直交する方向）である。図２はｚ軸回りの姿勢がずれていない場合であり、図３はずれている場合である。

図２及び図３の（Ａ）は、光源部からの光をスケールの光学格子に照射することにより、この光学格子で回折されて生成される干渉縞３１の一部の平面図である。干渉縞３１は明部３３と暗部３５（干渉縞の筋）とが交互に繰り返されたパターンを有する。明部３３と暗部３５は、ｙ軸の方向に延びた細長形状をしている。

図２及び図３の（Ｂ）は、インデックス基板１５の一つの光学格子１７の平面図である。図２及び図３の（Ｃ）は、干渉縞３１の一部と光学格子１７とを重ねた平面図である。（Ｃ）において、光学格子１７の遮光部１９を規定する線を実線で表し、遮光部１９を白抜きにしている。一方、干渉縞３１の暗部３５を規定する線を点線で表し、暗部３５を白抜きにしている。点線と実線が重なる箇所では実線を優先している。

図３（Ｃ）に示すようにｚ軸回りの姿勢がずれている場合、図２（Ｃ）に示すｚ軸回りの姿勢がずれていない場合に比べて、光学格子１７と干渉縞３１との重なり具合が異なっている。これにより、図１に示すメイン受光部２７のフォトダイオード２３の受光量が減少するため、ＰＤ２３からの出力信号の振幅が小さくなり、測定精度が低下する。

第１実施形態によれば、ｚ軸回りの姿勢検出用の第１受光部２９-１及び第２受光部２９-２を備えるため、光学式変位測定装置１のセンサヘッド５を静止させた状態で、ｚ軸回りの姿勢を調整することができる。以下、受光部２９-１，２９-２について説明する。

図４はインデックス基板１５の平面図である。基板１５には、光学格子２１-１，２１-２とメイン受光部２７の構成要素となる四つの光学格子１７とが形成されている。光学格子２１-１，２１-２は斜めに配置されている。図５は、ｚ軸回りの姿勢がずれていない状態で光学格子２１-１，２１-２と干渉縞３１とが重なった状態を示す平面図である。

図５に示すように、光学格子２１-１，２１-２は、ｚ軸回りの姿勢がずれていない状態で干渉縞３１の筋（暗部３５）の方向に対して斜めの位置関係にある遮光部３７（細長部の一例）がｘ軸に沿ってリニヤ状に配置されたものである。遮光部３７は干渉縞３１と向かい合っている。そして、光学格子２１-１，２１-２の遮光部３７は、ｚ軸回りの姿勢がずれていない状態でｘ軸（測定軸）に対して同じ大きさ（角度φ）で互いに逆に傾くように配列されている。

斜線で示す部分３９、つまり干渉縞３１の明部３３のうちＰＤ２５-１，２５-２に到達する部分３９の面積が、ｚ軸回りの姿勢がずれていない状態で第１受光部２９-１側と第２受光部２９-２側とで同じになるように、光学格子２１-１，２１-２の角度、寸法、位相が設定されている。角度や寸法は具体的には、次の二つの式が成り立つようにされている。

Ｐ１=Ｐ２・ｃｏｓθ
ｈ＝（ｎ／２）・Ｐ２・ｔａｎφ
θ：角度φを直角三角形の一つの鋭角とした場合における他の鋭角の角度
Ｐ１：ｘ軸に対して角度θの方向の遮光部３７のピッチ
Ｐ２：干渉縞３１のピッチ（干渉縞３１の周期）
ｈ：遮光部３７の高さ
ｎ：整数
なお、図５はｎが１の場合である。図６はｎが２の場合において、ｚ軸回りの姿勢がずれていない状態で光学格子２１-１，２１-２と干渉縞３１との重なりを示す平面図である。

光学格子２１-１，２１-２の位相は、これらが同相の関係又は逆相（１８０°異なる）の関係になるようにされている。なお、逆相関係の場合、ＰＤ２５-１，２５-２のうち一方の出力信号を後段の処理回路で反転処理する必要がある。

光学格子２１-１，２１-２の角度、寸法、位相を上述したように設定すると、センサヘッド５を静止させた状態において以下のことが言える。ｚ軸回りの姿勢がずれていない場合、干渉縞３１の明部３３のうちＰＤ２５-１，２５-２に到達する部分３９の面積が、第１受光部２９-１側と第２受光部２９-２側とで同じになる。したがって、第１受光部２９-１で受光される光量と第２受光部２９-２で受光される光量とが同じになるため、第１受光部２９-１及び第２受光部２９-２の出力信号（ｚ軸回りの姿勢検出用の信号）の強度が同じになる。一方、ｚ軸回りの姿勢がずれている場合、部分３９の面積が第１受光部２９-１側と第２受光部２９-２側とで異なるため、第１受光部２９-１の受光量と第２受光部２９-２の受光量とに差が生じる。よって、第１受光部２９-１及び第２受光部２９-２の出力信号（ｚ軸回りの姿勢検出用の信号）の強度が異なることになる。

図７はこれを説明するための光学格子２１-１，２１-２と干渉縞３１とが重なった状態を示す平面図である。図７（Ａ）はｚ軸回りの姿勢がずれていない状態を示している。図７（Ｂ）はｚ軸を時計回りに姿勢が少しずれた状態を示している。この状態では、第２受光部２９-２が受光する光量が、第１受光部２９-１が受光する光量よりも小さくなる。

一方、図７（Ｃ）はｚ軸を反時計回りに姿勢が少しずれた状態を示している。この状態では、図７（Ｂ）と逆に、第１受光部２９-１が受光する光量が、第２受光部２９-２が受光する光量よりも小さくなる。

したがって、第１実施形態によればセンサヘッド５をスケール３に対して移動させることなく、静止させた状態でｚ軸回りの姿勢を検出することができる。よって、ｚ軸回りの姿勢調整が容易となり、また、姿勢調整の際にスケール３等を傷つけるおそれをなくすことができる。

なお、図４に示す光学格子２１-１，２１-２の遮光部３７及び光学格子１７の遮光部１９は、共に金属（例えばクロム）などから構成される。また、光学格子２１-１，２１-２を構成する遮光部３７の数や光学格子１７を構成する遮光部１９の数は、図面に表れている数よりも実際はもっと多い。また、図１に示すＰＤ２５-１，２５-２や四つのＰＤ２３は個別のデバイス（つまり互いに別のチップ）にされているが、同一チップに形成された集積デバイスでもよい。

また、光源部１３、メイン受光部２７、第１受光部２９-１及び第２受光部２９-２を固定し、スケール３を移動させて変位量を測定するタイプにも、第１実施形態を適用することができる。したがって、メイン受光部２７は光源部１３と一緒にスケール３に対して相対移動可能に配置されている、と言うことができる。

光学式変位測定装置１は、スケール３の光学格子９を光が透過する透過型であるが、いわゆる反射型（スケール３の光学格子９で光を反射する）にも第１実施形態を適用することができる。

［第２実施形態］
第２実施形態については、第１実施形態との相違を中心に説明する。図８は、第２実施形態において、ｚ軸回りの姿勢がずれていない状態での光学格子と干渉縞との重なりを示す平面図である。第２実施形態に係る光学式変位測定装置は、第１受光部２９-１及び第２受光部２９-２に加えて、姿勢検出用の第３受光部２９-３及び第４受光部２９-４を備えている。

第３受光部２９-３は、光学格子２１-３と、これを透過した光を受光するフォトダイオード２５-３と、で構成される。光学格子２１-３が光学格子２１-１と異なるのは、遮光部３７のｘ軸に対する傾きである。光学格子２１-３の場合、φ１よりも小さいφ２にされている。

第４受光部２９-４は、光学格子２１-４と、これを透過した光を受光するフォトダイオード２５-４と、で構成される。光学格子２１-４の遮光部３７のｘ軸に対する傾きはφ２であり、この点が光学格子２１-２と異なる。なお、θ１は角度φ１を直角三角形の一つの鋭角とした場合における他の鋭角の角度であり、θ２は角度φ２を直角三角形の一つの鋭角とした場合における他の鋭角の角度である。

図９は、センサヘッド５が静止した状態で、ｚ軸回りの姿勢を時計回りや反時計回りに生じさせた際に、各受光部２９-１，２９-２，２９-３，２９-４から出力される出力信号の強度を示すグラフである。横軸はｚ軸回りの姿勢のずれを示し、０がｚ軸回りの姿勢がずれていない状態である。縦軸は各受光部の出力強度を示している。

第１受光部２９-１、第２受光部２９-２の両方から出力が生じるｚ軸回りの姿勢のずれの範囲Ｒ１は、第３受光部２９-３、第４受光部２９-４のそれである範囲Ｒ２よりも広い。ｚ軸回りの姿勢のずれがない位置は、範囲Ｒ１，Ｒ２の中にある。範囲Ｒ１は範囲Ｒ２よりも広いので、ｚ軸回りの姿勢のずれがない位置の大まかな特定は、第１受光部２９-１及び第２受光部２９-２の組を用いた方が第３受光部２９-３、第４受光部２９-４の組を用いるよりもやり易い。

一方、ｚ軸回りの姿勢のずれがない位置の近傍での受光部の出力の傾きは、第１受光部２９-１及び第２受光部２９-２の組よりも第３受光部２９-３及び第４受光部２９-４の組の方が大きい。したがって、ｚ軸回りの姿勢のずれが生じない位置の正確な特定は、第３受光部２９-３及び第４受光部２９-４の組を用いた方が第１受光部２９-１及び第２受光部２９-２の組を用いるよりもやり易い。

以上説明したように第２実施形態によれば、第１受光部２９-１及び第２受光部２９-２の組を用いることにより、ｚ軸回りの姿勢を大まかに調整し、その後で第３受光部２９-３及び第４受光部２９-４の組を用いて、ｚ軸回りの姿勢の微調整をすることができる。したがって、より効率的にｚ軸回りの姿勢を調整することができる（ｚ軸回りの姿勢調整時の追い込みが容易になる）。

なお、φ２がφ１より大きくてもよい。この場合、第３受光部２９-３及び第４受光部２９-４の組を用いてｚ軸回りの姿勢の大まかな調整をした後、第１受光部２９-１及び第２受光部２９-２の組を用いてｚ軸回りの姿勢の微調整をする。したがって、光学格子２１-１，２１-２の遮光部３７のｘ軸に対する傾きが、光学格子２１-３，２１-４のそれと比較して異なっていれば、より効率的にｚ軸回りの姿勢を調整できる効果を得ることができる。

［第３実施形態］
次に、第３実施形態を第２実施形態との相違を中心に説明する。図１０は、第３実施形態において、ｚ軸回りの姿勢がずれていない状態での光学格子と干渉縞との重なりを示す平面図である。第３実施形態では、光学格子２１-１，２１-２，２１-３，２１-４の遮光部３７のｘ軸に対する傾きは角度φで等しい。光学格子２１-１の遮光部３７と光学格子２１-３の遮光部３７との位相は、ｘ軸方向に、Ｐ２／４、つまり９０度ずれている。光学格子２１-２，２１-４についても遮光部３７の位相が９０度ずれている。

第３実施形態による効果を説明する。図１１に示すように受光部の組が一つの場合、たとえ、ｚ軸回りの姿勢がずれた状態でも、干渉縞３１の明部３３のうちフォトダイオードに到達する部分３９の面積が第１受光部２９-１側と第２受光部２９-２側とで同じになる場合がありうる。この場合、ｚ軸回りの姿勢がずれた状態で、第１受光部２９-１が受光する光量と第２受光部２９-２が受光する光量とが同じになるので、これらの受光部の出力が同じになってしまう。

図１２は第３実施形態において、ｚ軸回りである量のずれが生じた場合における光学格子と干渉縞との重なりを示す平面図である。第１受光部２９-１及び第２受光部２９-２において、干渉縞３１の明部３３のうちフォトダイオードに到達する部分３９の面積が同じになっている。しかし、第３実施形態は受光部２９-１，２９-２の遮光部３７と位相の異なる遮光部３７を有する第３受光部２９-３及び第４受光部２９-４を備える。したがって、受光部２９-３，２９-４では部分３９の面積が互いに異なる。よって、受光部２９-１，２９-２の出力が互いに同じでも、受光部２９-３，２９-４の出力が互いに異なるので、ｚ軸回りの姿勢のずれを検出することができる。したがって、より確実にｚ軸回りの姿勢の調整ができる。

［第４実施形態］
図１３は第４実施形態に係る光学式変位測定装置の第１受光部２９-１及び第２受光部２９-２の平面図である。第４実施形態は第１実施形態との相違を中心に説明する。図５に示すように、第１実施形態では、第１受光部２９-１と第２受光部２９-２とが個別のチップにされているが、第４実施形態ではこれらを同一の半導体基板４３に形成することにより、同一のチップにしている。また、第１実施形態ではＰＤと光学格子を別個にしているが、第４実施形態では受光素子であるＰＤ４１をアレイ状に配置することにより、このアレイに光学格子を兼用させている。

以下、第４実施形態について詳細に説明する。図１３に示すように、受光素子であるＰＤ４１（細長部の一例）は、ｐ型の半導体基板４３と、この基板４３の表面に形成されたｎ型の不純物領域４５と、により構成される。不純物領域４５の平面形状は、図５に示す遮光部３７の平面形状と同じである。

第１受光部２９-１は、図４の光学格子２１-１と同じ平面パターンとなるように、ＰＤ４１をｘ軸に沿って配列することにより構成される。一方、第２受光部２９-２は、図４の光学格子２１-２と同じ平面パターンとなるように、ＰＤ４１をｘ軸に沿って配列することにより構成される。

［第５実施形態］
次に、第５実施形態について説明する。図１４は第５実施形態に係る光学式変位測定装置の第１受光部２９-１及び第２受光部２９-２の平面図である。第５実施形態が第４実施形態と相違するのは、第１受光部２９-１のＰＤ４１と第２受光部２９-２のＰＤ４１とが交互に配置されていることである。これによる効果を説明する。

図１５は第５実施形態の第１受光部及び第２受光部と干渉縞３１との重なりを示す平面図であり、図１６は第４実施形態のこれらの重なりを示す平面図である。ＰＤ４１の上にゴミ４７が載ったり、汚れ４７が付着したりすることが不可避的に発生する。図１６では、第１受光部を構成するＰＤ４１、第２受光部を構成するＰＤ４１が、それぞれ集中して配列されているので、ゴミ・汚れ４７により、第１受光部の受光量と第２受光部の受光量とに差が生じる。これにより、正確な姿勢調整に支障を来たすおそれがある。

これに対して、図１５に示す第５実施形態では、第１受光部のＰＤ４１と第２受光部のＰＤ４１とが交互に配置されているため、ゴミ・汚れ４７の影響を、第１受光部と第２受光部とで同じにすることができる。したがって、ＰＤ４１上にゴミ・汚れ４７があっても、第１受光部と第２受光部とで受光量に差が生じないようにできる。よって、第５実施形態によれば、ＰＤ４１上にゴミ・汚れ４７があってもその影響小さくできるため、正確な姿勢調整を実現できる。

第１〜第５実施形態では、（１）第１及び第２受光部の組が一つ配置される態様や、（２）第１及び第２受光部の組が一つ、第３及び第４受光部の組が一つ、それぞれ配置される態様、について説明した。しかしながら、第１及び第２受光部の組や第３及び第４受光部の組は、少なくとも一つあればよい。例えば、（１）１組の第１及び第２受光部を四箇所に配置する態様や、（２）１組の第１及び第２受光部を二箇所に配置し、１組の第３及び第４受光部を二箇所に配置する態様、でもよい。

第１実施形態に係る光学式変位測定装置について概略構成を示す図である。 ｚ軸回りの姿勢がずれていない状態における、インデックス基板の一つの光学格子と干渉縞との位置関係を示す図である。 ｚ軸回りの姿勢がずれている状態における、インデックス基板の一つの光学格子と干渉縞との位置関係を示す図である。 第１実施形態に係る光学式変位測定装置に備えられるインデックス基板の平面図である。 第１実施形態において、ｚ軸回りの姿勢がずれていない状態での光学格子と干渉縞との重なりの一例を示す平面図である。 第１実施形態において、ｚ軸回りの姿勢がずれていない状態での光学格子と干渉縞との重なりの他の例を示す平面図である。 第１実施形態においてｚ軸回りの姿勢調整を説明するための図である。 第２実施形態において、ｚ軸回りの姿勢ずれていない状態での光学格子と干渉縞との重なりを示す平面図である。 第２実施形態において、センサヘッドが静止した状態で、ｚ軸回り姿勢のずれを生じさせた際に、受光部から出力される出力信号の強度を示すグラフである。 第３実施形態において、ｚ軸回りの姿勢がずれていない状態での光学格子と干渉縞との重なりを示す平面図である。 ｚ軸回りの姿勢がずれた状態で、干渉縞の明部のうちフォトダイオードに到達する部分の面積が二つの光学格子で同じになる場合を示す図である。 第３実施形態において、ｚ軸回りである量のずれが生じた場合における光学格子と干渉縞との重なりを示す平面図である。 第４実施形態に係る光学式変位測定装置の第１受光部及び第２受光部の平面図である。 第５実施形態に係る光学式変位測定装置の第１受光部及び第２受光部の平面図である。 第５実施形態の第１受光部及び第２受光部と干渉縞との重なりを示す平面図である。 第４実施形態の第１受光部及び第２受光部と干渉縞との重なりを示す平面図である。

符号の説明

１・・・光学式変位測定装置、３・・・スケール、５・・・センサヘッド、７・・・スケールの表面、９・・・光学格子（スケール格子の一例）、１１・・・遮光部、１３・・・光源部、１５・・・インデックス基板、１７，１７Ａ，１７Ｂ，１７ＡＡ，１７ＢＢ・・・光学格子、１９・・・遮光部、２１-１，２１-２，２１-３，２１-４・・・光学格子、２３，２３Ａ，２３Ｂ，２３ＡＡ，２３ＢＢ・・・フォトダイオード、２５-１，２５-２，２５-３，２５-４・・・フォトダイオード、２７・・・メイン受光部、２９-１・・・第１受光部、２９-２・・・第２受光部、２９-３・・・第３受光部、２９-４・・・第４受光部、３１・・・干渉縞、３３・・・明部、３５・・・暗部（干渉縞の筋の一例）、３７・・・遮光部（細長部の一例）、３９・・・干渉縞の明部のうちＰＤに到達する部分、４１・・・フォトダイオード（細長部の一例）、４３・・・半導体基板、４５・・・不純物領域、４７・・・ゴミ・汚れ、ｘ・・・光学式変位測定装置の測定軸となるｘ軸、ｙ・・・スケールの光学格子が設けられた表面と平行であり、ｘ軸と直交するｙ軸、ｚ・・・メイン受光部からスケールに向けてｘ軸と直交するように延びるｚ軸、Ｌ・・・平行光

Claims (4)

1. 光源部と、
   前記光源部からの光が照射されることにより干渉縞を生成するスケール格子が設けられると共に測定軸方向に延びるスケールと、
   前記スケールに対向し、前記光源部と一緒に前記スケールに対して前記測定軸方向に相対移動しながら前記干渉縞を受光して、前記相対移動の量に対応した信号を出力するメイン受光部と、
   前記メイン受光部から前記スケールに向けて前記測定軸と直交するように延びる軸に対する軸回りの姿勢検出用の信号を、前記干渉縞を受光することにより出力する姿勢検出用の少なくとも１組の第１及び第２受光部と、を備え、
   前記第１及び第２受光部は、前記軸回りの姿勢がずれていない状態で前記干渉縞の筋の方向に対して斜めの位置関係にある細長部を前記干渉縞と向かい合うように配列されて構成される光学格子を含み、
   前記第１及び第２受光部の前記光学格子の前記細長部は、前記軸回りの姿勢がずれていない状態で前記測定軸に対して同じ大きさで互いに逆に傾くように配列されている、
   ことを特徴とする光学式変位測定装置。
2. 姿勢検出用の少なくとも１組の第３及び第４受光部を備え、
   前記第３及び第４受光部は、前記軸回りの姿勢がずれていない状態で前記干渉縞の筋の方向に対して斜めの位置関係にある細長部を前記干渉縞と向かい合うように配列されて構成される光学格子を含み、
   前記第３及び第４受光部の前記光学格子の前記細長部は、前記軸回りの姿勢がずれていない状態で前記測定軸に対して同じ大きさで互いに逆に傾くように配列されており、
   前記第３及び第４受光部の前記光学格子の前記細長部の前記測定軸に対する傾きの大きさは、前記第１及び第２受光部のそれと異なる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光学式変位測定装置。
3. 姿勢検出用の少なくとも１組の第３及び第４受光部を備え、
   前記第３及び第４受光部は、前記軸回りの姿勢がずれていない状態で前記干渉縞の筋の方向に対して斜めの位置関係にある細長部を前記干渉縞と向かい合うように配列されて構成される光学格子を含み、
   前記第３及び第４受光部の前記光学格子の前記細長部は、前記軸回りの姿勢がずれていない状態で前記測定軸に対して同じ大きさで互いに逆に傾くように配列されており、
   前記第３受光部の前記光学格子の前記細長部の位相は前記第１受光部のそれと異なり、
   前記第４受光部の前記光学格子の前記細長部の位相は前記第２受光部のそれと異なる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光学式変位測定装置。
4. 前記第１及び第２受光部の前記光学格子の前記細長部は、半導体基板に不純物領域を形成してなる受光素子で構成され、
   前記第１受光部の前記受光素子と前記第２受光部の前記受光素子とが交互に配置されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光学式変位測定装置。

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