JP2862448B2 - Optical displacement sensor and drive system using the same - Google Patents

Optical displacement sensor and drive system using the same

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JP2862448B2
JP2862448B2 JP33740392A JP33740392A JP2862448B2 JP 2862448 B2 JP2862448 B2 JP 2862448B2 JP 33740392 A JP33740392 A JP 33740392A JP 33740392 A JP33740392 A JP 33740392A JP 2862448 B2 JP2862448 B2 JP 2862448B2
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哲治 西村
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は変位物体に照射された光
束が回折や散乱されるとき、その回折や散乱光束が物体
の変位や移動速度に応じた位相変調作用を受けることを
利用して物体の変位や速度を測定するエンコーダ、速度
センサ、加速度センサ等の光学式変位センサに関するも
のである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention utilizes the fact that when a light beam irradiated on a displaced object is diffracted or scattered, the diffracted or scattered light beam undergoes a phase modulation action in accordance with the displacement or moving speed of the object. The present invention relates to an optical displacement sensor such as an encoder, a speed sensor, and an acceleration sensor for measuring a displacement and a speed of an object.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より、光を物体に照射して高精度に
物体の移動や変位などの物理量を求める光学式変位セン
サ、例えば光学式エンコーダ、レーザドップラ速度計、
レーザ干渉計等が、主にNC工作機械やOA機器、ロボ
ット等の分野で広く利用されている。こうした変位セン
サの従来例として、例えば実開平1−180615号公
報や特開昭62−121314号公報には光学式エンコ
ーダが開示されている。又、特開平2−262064号
公報にはレーザドップラ速度計の例が開示されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, an optical displacement sensor for irradiating an object with light to obtain a physical quantity such as movement or displacement of the object with high accuracy, for example, an optical encoder, a laser Doppler velocimeter,
Laser interferometers and the like are widely used mainly in the fields of NC machine tools, OA equipment, robots, and the like. As a conventional example of such a displacement sensor, for example, an optical encoder is disclosed in Japanese Utility Model Laid-Open No. 1-180615 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-121314. Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 2-262604 discloses an example of a laser Doppler velocimeter.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】変位センサをより広い
分野への応用展開することを考えると、より一層の小型
化(ミリオーダーのサイズ)、且つ高精度化・高分解能
化(0.1μmオーダー)が望まれる。ミリサイズにな
れば、例えば測定される対象に接着剤等で直接貼り付け
て使用する等の使い方ができるので、より小型な装置に
も使用可能となり利用分野が飛躍的に広がることにな
る。しかしながら従来の変位センサでは小型化と高精度
高分解能化の両立の追求には限度があった。
Considering application of the displacement sensor to a wider field, further miniaturization (size on the order of millimeters) and higher precision and higher resolution (on the order of 0.1 μm) are considered. ) Is desired. With a millimeter size, it can be used, for example, by directly attaching it to an object to be measured with an adhesive or the like, so that it can be used for a smaller device and the field of application is dramatically expanded. However, the conventional displacement sensor has a limit in pursuing both miniaturization and high accuracy and high resolution.

【0004】本発明は、小型化と高精度化・高分解能化
を非常に高いレベルで両立した光学式センサ及びそれを
用いたシステムを提供することを第1の目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION It is a first object of the present invention to provide an optical sensor and a system using the same, which achieve both miniaturization and high precision and high resolution at a very high level.

【0005】本発明は、小型化可能且つ光学要素の主要
部を固定化して誤差要因を減少させて高精度な測定を可
能にする光学式の変位検出センサを提供する事を第2の
目的とする。
It is a second object of the present invention to provide an optical displacement detection sensor which can be miniaturized and which can fix a main part of an optical element to reduce an error factor to enable high-precision measurement. I do.

【0006】本発明は、さらにセンサヘッド側と回折格
子側とが回転誤差を発生した場合にも高精度を保った測
定ができる光学式の変位検出センサを提供する事を第3
の目的とする。
A third object of the present invention is to provide an optical displacement detection sensor capable of performing measurement with high accuracy even when a rotation error occurs between the sensor head side and the diffraction grating side.
The purpose of.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の光学式変位センサの好ましい一例は、光学窓部を有
する筐体と、該筐体に内蔵される発光素子と受光素子
と、該窓部近傍に設けられた透光部材と、該透光部材に
設けられ、前記発光素子で生成された光を複数の光束に
分割して出射させるための第1の光学機能素子と、該透
光部材に設けられ、前記出射された光束が相対変位物体
に照射されて変調を受けた光を前記受光素子に導くため
の第2の光学機能素子とを有することを特徴とするもの
である。
A preferred example of the optical displacement sensor according to the present invention for solving the above-mentioned problems is a housing having an optical window, a light emitting element and a light receiving element built in the housing, and A light-transmitting member provided in the vicinity of the window, a first optical functional element provided on the light-transmitting member, for splitting light generated by the light-emitting element into a plurality of light beams, and emitting the light; A second optical function element provided on the optical member, for guiding the light that has been emitted to the relative displacement object and is modulated by the light to the light receiving element.

【0008】また本発明の他の好ましい一例は、光源
と、前記光源からの光束の集束発散状態を変換する光束
変換素子及び前記光束変換素子によって変換された光束
を第1及び第2光束に分離する分離光学素子をそれぞれ
異なる面上に一体的に設けた透明部材と、前記第1及び
第2光束により照明された被検物体から各光束に対応し
て発生する2つの回折光を合波して干渉させて検出する
検出系とを有し、該検出系の検出結果に基づいて前記被
検物体の変位に関する情報を測定するものである。
In another preferred embodiment of the present invention, a light source, a light beam converting element for converting the divergent state of the light beam from the light source, and a light beam converted by the light beam converting element are separated into first and second light beams. And a diffractive light generated corresponding to each light beam from the test object illuminated by the first and second light beams. And a detection system for detecting the displacement of the test object based on the detection result of the detection system.

【0009】さらに本発明の他の好ましい一例は、被測
定回折格子との間の相対的変位を測定するための光学式
変位センサで、発光素子と、前記発光素子から射出され
た光束の集束発散状態を変換する光学手段と、前記発光
素子からの光束を第1光束と第2光束に分割する第1回
折格子と、前記被測定回折格子に照射された前記第1光
束と第2光束それぞれから発生する回折光同志を合成し
干渉光束を得るための第2回折格子と、該干渉光束を受
光するための受光素子とを有し、前記受光素子に入射す
る干渉光束の波面が球面になるように配置されているも
のである。
Still another preferred embodiment of the present invention is an optical displacement sensor for measuring a relative displacement between a diffraction grating to be measured, and a light emitting element and a divergent and divergent light beam emitted from the light emitting element. An optical unit for converting a state, a first diffraction grating for splitting a light beam from the light emitting element into a first light beam and a second light beam, and each of the first light beam and the second light beam applied to the measured diffraction grating. A second diffraction grating for combining generated diffracted light beams to obtain an interference light beam; and a light receiving element for receiving the interference light beam, such that the wavefront of the interference light beam incident on the light receiving element is spherical. It is arranged in.

【0010】[0010]

【実施例】【Example】

<実施例1>図1は第1実施例の光学式エンコーダを3
方向から見た構成図であり、(A)は側面図、(B)は
上面図、(C)は正面図を示す。又、図2は主要部の斜
視図である。
<Embodiment 1> FIG. 1 shows an optical encoder according to a first embodiment of the present invention.
It is the block diagram seen from the direction, (A) shows a side view, (B) shows a top view, and (C) shows a front view. FIG. 2 is a perspective view of a main part.

【0011】部材1は光を生成する発光素子であり、数
百μmオーダーのサイズを有する。本実施例の発光素子
は波長780nmのレーザ光を生成する半導体レーザ素
子である。なお、発光素子としては半導体レーザ以外に
発光ダイオード等も使用できる。水平に設置された発光
素子1から生成放射される光を、45度の傾きを持って
ミラー面が形成されたミラー2によって反射して垂直方
向に指向する。なお、ミラーの代わりにプリズムを用い
ることもできる。上記光の指向方向には透光部材である
透明なガラス板3が設けられる。ガラス板3の一方の面
(内面)には3つのレプリカレンズ部31A、31B、
31Cが形成され、他方の面(外面)には同一ピッチの
3つのレプリカ回折格子部32A、32B、32Cが3
つのレンズ部に対向して形成されている。各回折格子部
のピッチPは本実施例では1.6μmとした。又、光を
受光して光電変換するため、それぞれが数百μmオーダ
ーのサイズを有する3つの受光素子4A,4B,4Cが
設けられている。受光素子の具体例としては、フォトダ
イオード、アバランシュ・フォトダイオード、ピンフォ
トダイオード、CCD、又、これら受光部をもち出力さ
れる光電流を増幅もしくは処理する回路をもった受光I
Cなどが挙げられる。受光素子4Aには半導体レーザ素
子1の後方面から放射される光束が導かれ光量をモニタ
することができ、APC(Auto Power Control)制御など
のフィードバックに用いられる。受光素子4B、4Cは
互いに位相差を有する信号を検出し、レンズ31B、3
1Cは必要な光束のみを微小な受光素子4B、4Cに安
定して入射させるために設けてある。
The member 1 is a light emitting element for generating light, and has a size on the order of several hundreds of μm. The light emitting device of this embodiment is a semiconductor laser device that generates laser light having a wavelength of 780 nm. In addition, as the light emitting element, a light emitting diode or the like can be used in addition to the semiconductor laser. Light generated and emitted from the horizontally disposed light emitting element 1 is reflected by the mirror 2 having a mirror surface with a 45-degree inclination and directed in the vertical direction. Note that a prism can be used instead of the mirror. A transparent glass plate 3, which is a light transmitting member, is provided in the direction in which the light is directed. On one surface (inner surface) of the glass plate 3, three replica lens portions 31A, 31B,
On the other surface (outer surface), three replica diffraction grating portions 32A, 32B, and 32C having the same pitch are formed.
It is formed so as to face the two lens portions. The pitch P of each diffraction grating portion was 1.6 μm in this embodiment. In addition, three light receiving elements 4A, 4B, and 4C each having a size on the order of several hundred μm are provided for receiving light and performing photoelectric conversion. Specific examples of the light receiving element include a photodiode, an avalanche photodiode, a pin photodiode, a CCD, and a light receiving I / O having a circuit for amplifying or processing a photocurrent output from the light receiving section.
C and the like. The light beam emitted from the rear surface of the semiconductor laser element 1 is guided to the light receiving element 4A, and the light quantity can be monitored, and is used for feedback such as APC (Auto Power Control) control. The light receiving elements 4B and 4C detect signals having a phase difference from each other, and
Reference numeral 1C is provided to allow only the necessary light beam to be stably incident on the minute light receiving elements 4B and 4C.

【0012】発光素子1及び受光素子4A,4B,4C
はセラミック性の遮光性筐体5内に封入され、筐体5の
上面の光学窓部には前記ガラス板3が取付けられ、内部
を気密に封止した構造を有している。又、発光素子と受
光素子の間には2枚の遮蔽板6が挿入され、発光素子か
らの光がダイレクトに受光素子に混入しないようになっ
ている。発光素子1及び受光素子4A,4B,4Cには
それぞれ電極パターンが接続され、各電極パターンの端
部は筐体5の外部に露出している。又、筐体内に信号処
理回路を内蔵する場合には露出する電極パターンに回路
の出力信号が出力される。筐体5は数mmオーダーのサ
イズであり非常に小型のセンサユニットが構成されてい
る。
Light emitting element 1 and light receiving elements 4A, 4B, 4C
Is sealed in a ceramic light-shielding housing 5, and the glass plate 3 is attached to an optical window on the upper surface of the housing 5 to hermetically seal the inside. In addition, two shielding plates 6 are inserted between the light emitting element and the light receiving element so that light from the light emitting element does not directly enter the light receiving element. An electrode pattern is connected to each of the light emitting element 1 and the light receiving elements 4A, 4B, 4C, and an end of each electrode pattern is exposed to the outside of the housing 5. When a signal processing circuit is built in the housing, an output signal of the circuit is output to the exposed electrode pattern. The housing 5 has a size on the order of several mm, and constitutes a very small sensor unit.

【0013】一方、センサユニットと対向する位置に
は、センサユニットに対して相対移動する物体に透明ス
ケール20が取り付けられ、該スケール上には目盛りで
ある反射型の回折格子21が形成されている。回折格子
21のピッチPは上記回折格子と同様1.6μmであ
る。
On the other hand, at a position facing the sensor unit, a transparent scale 20 is attached to an object that moves relatively to the sensor unit, and a reflective diffraction grating 21 serving as a scale is formed on the scale. . The pitch P of the diffraction grating 21 is 1.6 μm as in the above-described diffraction grating.

【0014】センサユニットの筐体内に水平に取り付け
られた発光素子1から射出した発散光束はミラー2で垂
直方向に進路を折り曲げられ、窓部に取り付けられたガ
ラス板3の内面に形成されたコリメータレンズ31Aに
よって略平行光束に変換される。この光束はガラス板3
の外面に形成された回折格子32Aにて透過回折され
て、0次回折光R0 、+1次回折光R+1、−1次回折光
-1の3つを含む複数本の光束に分割されて射出する。
The divergent light beam emitted from the light emitting element 1 horizontally mounted in the housing of the sensor unit has its path vertically bent by a mirror 2 and is formed on the inner surface of a glass plate 3 mounted on a window. The light is converted into a substantially parallel light beam by the lens 31A. This luminous flux is a glass plate 3
Is transmitted and diffracted by a diffraction grating 32A formed on the outer surface of the light-emitting device, and is divided into a plurality of light beams including three 0-order diffracted light R 0 , + 1st-order diffracted light R +1 , and -1st-order diffracted light R −1 and emitted. I do.

【0015】この内、回折格子32Aを直進した光束R
0 は、スケール20上に形成された回折格子21上の点
P1にて反射回折されて+1次回折光R0 +1 、−1次回
折光R0 -1 に分割されそれぞれ位相変調される。スケー
ル20が相対移動すると、+1次回折光R0 +1 の位相は
+2πx/Pだけずれて、−1次回折光R0 -1 の位相は
−2πx/Pだけずれる。ここでxは回折格子21の移
動量、Pは回折格子21のピッチである。
Of these, the light flux R traveling straight through the diffraction grating 32A
0 is reflected and diffracted at a point P1 on the diffraction grating 21 formed on the scale 20, is divided into + 1st-order diffracted light R 0 +1 and −1st-order diffracted light R 0 -1 and is phase-modulated. When the scale 20 moves relatively, the phase of the + 1st-order diffracted light R 0 +1 is shifted by + 2πx / P, and the phase of the −1st-order diffracted light R 0 -1 is shifted by −2πx / P. Here, x is the amount of movement of the diffraction grating 21, and P is the pitch of the diffraction grating 21.

【0016】+1次回折光R0 +1 はガラス板3の表面に
形成された回折格子32Bにて透過回折されて、0次回
折光R0 +1 0、−1次回折光R0 +1 -1 及びその他の光束に
分割され、この内、−1次回折光R0 +1 -1 は回折格子面
と垂直に取り出され、この時の波面の位相は+2πx/
Pとなる。又、−1次回折光R0 -1 はガラス板3の表面
に形成された回折格子32Cにて透過回折されて、0次
回折光R0 -1 0、+1次回折光R0 -1 +1 及びその他の光束
に分割され、この内、+1次回折光R0 -1 +1 は回折格子
面と垂直に取り出され、この時の波面の位相は−2πx
/Pとなる。
The + 1st-order diffracted light R 0 +1 is being transmitted diffracted by the diffraction grating 32B formed on the surface of the glass plate 3, 0-order diffracted light R 0 +1 0, -1-order diffracted light R 0 +1 -1 and The light beam is split into other light beams, of which the -1st-order diffracted light R 0 +1 -1 is extracted perpendicular to the diffraction grating surface, and the phase of the wavefront at this time is + 2πx /
It becomes P. Also, the -1st-order diffracted light R 0 -1 is being transmitted diffracted by the diffraction grating 32C formed on the surface of the glass plate 3, 0-order diffracted light R 0 -1 0, + 1-order diffracted light R 0 -1 +1 and other + 1st-order diffracted light R 0 -1 +1 is taken out perpendicular to the diffraction grating surface, and the phase of the wavefront at this time is -2πx
/ P.

【0017】ここで回折格子32Bを32Cに対して、
格子配列の位相関係をP/4だけずらしておけば、+1
次回折光R0 -1 +1 は波面の位相が更に−2π(P/4)
/P=−π/2だけずれて−2πx/P−π/2にな
る。
Here, the diffraction grating 32B is shifted from 32C with respect to 32C.
If the phase relation of the lattice arrangement is shifted by P / 4, +1
The second-order diffracted light R 0 -1 +1 has a wavefront phase of −2π (P / 4).
/ P = -2πx / P-π / 2 shifted by -π / 2.

【0018】一方、ガラス板3の表面に形成された回折
格子32Aにて+1次回折した光束R+1はスケール20
上の回折格子21上の点P2にて反射回折されて、−1
次回折光R+1 -1、0次回折光R+1 0 及びその他の光束に
分割され、それぞれ位相変調される。この内、−1次回
折光R+1 -1の位相は−2πx/Pだけずれて回折格子3
2Bに入射し、そこでそのまま直進した0次回折光R+1
-1の波面の位相は−2πx/Pである。
On the other hand, the light beam R +1 diffracted + 1st-order by the diffraction grating 32A formed on the surface of the glass plate 3 is
The light is reflected and diffracted at a point P2 on the upper diffraction grating 21, and -1
Order diffraction light R +1 -1, 0 is divided into order diffracted light R +1 0 and other light beams are respectively phase-modulated. Among them, the phase of the -1st-order diffracted light R +1 -1 is shifted by -2πx / P and the diffraction grating 3
0B diffracted light R +1 incident on 2B and traveling straight there
The phase of the wavefront of -1 is -2? X / P.

【0019】又、ガラス板3の表面に形成された回折格
子32Aにて−1次回折した光束R-1はスケール20上
の回折格子21上の点P3にて反射回折されて、+1次
回折光R-1 +1、0次回折光R-1 0 及びその他の光束に分
割され、それぞれ位相変調される。この内、+1次回折
光R-1 +1の位相は+2πx/Pだけずれて、回折格子3
2Cに入射し、そこでそのまま直進した0次回折光R-1
+1の波面の位相は+2πx/Pである。
The light beam R -1 diffracted -1st-order by the diffraction grating 32A formed on the surface of the glass plate 3 is reflected and diffracted at a point P3 on the diffraction grating 21 on the scale 20, and the + 1st-order diffracted light is reflected. The light is split into R -1 +1 , 0th-order diffracted light R - 10, and other light beams, and each is phase-modulated. Among them, the phase of the + 1st order diffracted light R -1 +1 is shifted by + 2πx / P, and the diffraction grating 3
0C diffracted light R -1 which is incident on 2C and goes straight there
The phase of the +1 wavefront is + 2πx / P.

【0020】回折格子32Bにて、光路を重ね合された
光束R+1 -1 0 と光束R0 +1 -1 は干渉光となって、レンズ
2Bにて集光され受光素子4Bに入射する。このときの
干渉位相は、 {+2πx/P}−{−2πx/P}=4πx/P となり、スケール20上の回折格子21が1/2ピッチ
移動するごとに1周期の明暗信号が発生する。
[0020] by the diffraction grating 32B, the light beam was superposed an optical path R +1 -1 0 and the light beam R 0 +1 -1 are taken with interference light is condensed by the lens 2B is incident on the light receiving element 4B . The interference phase at this time is as follows: {+ 2πx / P} − {− 2πx / P} = 4πx / P, and a light-dark signal of one cycle is generated each time the diffraction grating 21 on the scale 20 moves by ピ ッ チ pitch.

【0021】回折格子32Cにて、光路を重ね合された
光束R-1 +1 0 と光束R0 -1 +1 は干渉光となって、レンズ
2Cにて集光され受光素子4Cに入射する。このときの
干渉位相は、 {−2πx/P−π/2}−{+2πx/P}=−4π
x/P−π/2 となり、スケール20上の回折格子21が1/2ピッチ
移動する毎に1周期の明暗信号が発生し、受光素子4B
とは明暗のタイミングが1/4周期だけずれる。
The light beam R -1 +1 0 and the light beam R 0 -1 +1 whose optical paths are superimposed on the diffraction grating 32C become interference light, which is condensed by the lens 2C and enters the light receiving element 4C. . The interference phase at this time is {-2πx / P-π / 2}-{+ 2πx / P} =-4π
x / P−π / 2, and a light-dark signal of one cycle is generated every time the diffraction grating 21 on the scale 20 moves by ピ ッ チ pitch.
The timing of light and dark is shifted by 1/4 cycle.

【0022】以上のごとくして、スケールの変位に伴
い、受光素子4B、4Cによって互いに位相が1/4周
期(90度)ずれた周期信号A,Bが得られる。これを
基にアンプ、信号内挿回路、2値化回路、方向判別回路
等の公知の信号処理回路を用いて、センサユニットとス
ケールとの相対的な変位状態を検出することができる。
本実施例ではこれらの信号処理回路の一部又は全てをセ
ンサユニット内に内蔵させることによって集積化を高め
ている。
As described above, with the displacement of the scale, the periodic signals A and B whose phases are shifted from each other by 1/4 cycle (90 degrees) are obtained by the light receiving elements 4B and 4C. Based on this, it is possible to detect a relative displacement state between the sensor unit and the scale using a known signal processing circuit such as an amplifier, a signal interpolation circuit, a binarization circuit, and a direction determination circuit.
In this embodiment, the integration is enhanced by incorporating some or all of these signal processing circuits in the sensor unit.

【0023】さて、本実施例での回折格子は、位相格子
いわゆるレリーフ型回折格子を採用し、以下に示すよう
な最適条件で設計されている。なお、後述するエンコー
ダの各実施例においても同様に最適設計されている。
The diffraction grating in this embodiment employs a phase grating, that is, a so-called relief type diffraction grating, and is designed under the following optimum conditions. In each of the embodiments of the encoder described later, the optimum design is similarly made.

【0024】図3はレリーフ型回折格子の断面図であ
り、デューティ(溝底部と溝上部の溝の配列方向に関す
る幅の比)を50%(図3においてa=b)とすると偶
数次の回折光は生じなくなるため、本実施例の構成のエ
ンコーダに好都合である。回折格子のデューティを50
%、μを回折次数、C1 を定数、λを光の波長、πを円
周率、Nを位相格子の材質の屈折率、dを位相格子の段
差とすると、μ次の回折光強度I(μ)は、 I(μ)=C1 {〔sin(πμ/2)〕/(πμ/2)}2 ×{1+(−1)μcos(2π(N−1)d/λ)} ・・・・(1) となる。これにより、0次回折光強度I0 と1次回折光
強度I1 は、 I0 =C1 {1+cos(2π(N−1)d/λ)} ・・・・(2) I1 =C1 (2/π)2 {1−cos(2π(N−1)d/λ)} ・・・・(3) のようになる。従って0次回折光と1次回折光の複合光
01は、これら回折光強度(2)と(3)の積となる。
FIG. 3 is a cross-sectional view of the relief type diffraction grating. If the duty (the ratio of the width in the arrangement direction of the groove bottom and the groove upper part in the arrangement direction) is 50% (a = b in FIG. 3), even-order diffraction is performed. Since no light is generated, it is convenient for the encoder having the configuration of the present embodiment. The duty of the diffraction grating is 50
%, Μ is the diffraction order, C 1 is a constant, λ is the wavelength of light, π is the circular constant, N is the refractive index of the material of the phase grating, and d is the step of the phase grating. (Μ) is I (μ) = C 1 {[sin (πμ / 2)] / (πμ / 2)} 2 × {1 + (− 1) μcos (2π (N−1) d / λ)} ... (1) Thus, zero-order diffracted light intensity I 0 and 1-order diffracted light intensity I 1 is, I 0 = C 1 {1 + cos (2π (N-1) d / λ)} ···· (2) I 1 = C 1 ( 2 / π) 2 {1-cos (2π (N−1) d / λ)} (3) Therefore 0 complex optical I 01-order diffracted light and 1-order diffracted light is the product of these diffracted light intensity and (2) (3).

【0025】 I01=C1 2 (2/π)2 {1−cos2 (2π(N−1)d/λ)} ・・・・(4)[0025] I 01 = C 1 2 (2 / π) 2 {1-cos 2 (2π (N-1) d / λ)} ···· (4)

【0026】ここで、本実施例における数値N=1.5
3348、λ=780nmのときの回折光強度のグラフ
図を図4に示す。この複合光強度I01が最大となる段差
Mの条件は(4)を用いて、 I01′(dM )=0 I01″(dM )<0 ・・・・(5) となる。ここで『′』は段差dに関する微分である。こ
れより複合光I01が最大となる段差dM は(4)と
(5)から、 dM =(2n+1)λ/(4(N−1)) ・・・・(6) n=0,1,2,3,・・・・ と決定される。
Here, the numerical value N = 1.5 in the present embodiment.
FIG. 4 shows a graph of the diffracted light intensity at 3348, λ = 780 nm. The condition of the step d M at which the composite light intensity I 01 becomes maximum is obtained by using (4), and I 01 ′ (d M ) = 0 I 01 ″ (d M ) <0 (5) Here, “′” is a derivative with respect to the step d. From this, the step d M at which the composite light I 01 becomes the maximum is obtained from (4) and (5), and d M = (2n + 1) λ / (4 (N− 1)) (6) n = 0, 1, 2, 3,...

【0027】±1次回折光と0次回折光の複合光で干渉
光を形成する本実施例のエンコーダでは、複合光の強度
ができるだけ大きく且つ複合光の強度変動が少ないほう
が望ましい。又、信号光を受光し受光素子によって電気
信号に変換された信号を用いて電気分割等の処理を行な
うためには、好ましくは複合光の強度変動を10%以内
に押さえることが望まれる。複合光の強度変動を10%
以内に押さえる条件は(4)〜(6)より以下のように
なる。
In the encoder according to the present embodiment, in which the interference light is formed by the composite light of the ± 1st-order diffracted light and the 0th-order diffracted light, it is desirable that the intensity of the composite light is as large as possible and the fluctuation of the intensity of the composite light is small. Further, in order to receive signal light and perform processing such as electric division using a signal converted into an electric signal by a light receiving element, it is desirable that the intensity fluctuation of the composite light be suppressed to within 10%. 10% intensity fluctuation of composite light
The conditions to be held down are as follows from (4) to (6).

【0028】 {λ/〔4π(N−1)〕}{2nπ+cos-1(−0.8)}≦ d>90 ≦{λ/〔4π(N−1)〕}{2(n+1)π−cos-1(−0.8)} n=0,1,2,3,4,・・・・ ・・・・(7) ここで複合光強度I01が最大となる段差dM と、90%
以上になるときの段差d>90 は、λ=780nm、N
=1.53348を(6)(7)式に当てはめて以下の
ように求まる。
{Λ / [4π (N−1)]} 2nπ + cos −1 (−0.8)} ≦ d > 90 ≦ {λ / [4π (N−1)]} 2 (n + 1) π− cos −1 (−0.8)} n = 0, 1, 2, 3, 4,... (7) Here, the step d M at which the composite light intensity I 01 is the maximum is 90, %
When the difference d > 90 is obtained, λ = 780 nm, N
= 1.53348 is applied to the equations (6) and (7) and is obtained as follows.

【0029】dM =365.524nm 290.653nm ≦ d>90 ≦ 440.396
nm 上記dM が本実施例のエンコーダにおける溝深さの最適
値、d>90 が許容値であり、このようにレリーフ透過
型回折格子の溝の深さを設計することにより、レリーフ
透過型回折格子で生じる回折光の強度変動を小さく抑
え、高い効率で複合回折光を得ている。
D M = 365.524 nm 290.653 nm ≦ d > 90 ≦ 440.396
nm The above d M is the optimum value of the groove depth in the encoder of the present embodiment, and d > 90 is an allowable value. By designing the groove depth of the relief transmission type diffraction grating in this way, the relief transmission type diffraction grating can be obtained. The variation in the intensity of the diffracted light generated by the grating is suppressed to a small value, and a composite diffracted light is obtained with high efficiency.

【0030】さて以上説明した本実施例のエンコーダで
は、干渉光学系がガラス板の両面にレプリカ製法等で形
成したレンズや回折格子及びスケール上の回折格子で構
成されているので、非常に簡単で小型で低コスト、且つ
高精度で安定した変位検出が可能なエンコーダが実現さ
れるが、更に以下のような大きな特徴がある。
In the encoder of the present embodiment described above, the interference optical system is composed of lenses, diffraction gratings, and diffraction gratings on a scale formed on both surfaces of a glass plate by a replica method or the like. An encoder that is small in size, low in cost, and capable of high-accuracy and stable displacement detection is realized, but further has the following significant features.

【0031】 3組の回折格子(32A、21、32
B又は32C)を使用して+1次回折と−1次回折、0
次回折を一回ずつ行なうように干渉光学系を構成してい
るので、仮に光源の波長が変動して回折角が変動して
も、再度の回折で逆向きに補正されて、回折格子(32
B又は32C)から射出する角度(0°)は全て一定に
保たれ、2光束の重なり状態や進行方位の相互差が保存
される。よって波長変動が不可避の半導体レーザを温度
コントロール等の温度補償機能なしで使用することがで
きる。又、より一層安定性の高いセンサが必要であれば
これらの温度補償機能を付加すれば良い。
Three sets of diffraction gratings (32A, 21, 32)
B or 32C) using + 1st and -1st diffraction, 0
Since the interference optical system is configured to perform the next diffraction one time at a time, even if the wavelength of the light source fluctuates and the diffraction angle fluctuates, it is corrected in the opposite direction by the second diffraction, and the diffraction grating (32
B or 32C), the angles (0 °) emitted from them are all kept constant, and the overlapping state of the two light beams and the mutual difference in the traveling direction are preserved. Therefore, a semiconductor laser in which wavelength fluctuation is inevitable can be used without a temperature compensation function such as temperature control. If a sensor with higher stability is required, these temperature compensation functions may be added.

【0032】 スケール20とガラス板3との平行度
が多少ずれていても、各々の干渉2光束の光路のずれる
方向が一致するので、重なり状態や進行方位の相互差が
保存されやすく、信号出力がスケール取付け精度に影響
されない高精度なエンコーダとなる。換言すれば、スケ
ール20の取付け精度が多少粗くても良く、あるいは取
付け精度を悪化させるような悪環境の中でも使用するこ
とができる。センサユニットが1チップに部品化された
ことと合わせて考えると、温度変動や振動等の悪環境に
対する耐環境性が非常に高いものとなる。
Even if the parallelism between the scale 20 and the glass plate 3 is slightly deviated, the directions in which the optical paths of the two interfering light beams deviate coincide with each other. Is a highly accurate encoder that is not affected by the scale mounting accuracy. In other words, the mounting accuracy of the scale 20 may be somewhat coarse, or the scale 20 can be used in an adverse environment where the mounting accuracy is deteriorated. Considering that the sensor unit is integrated into one chip, the environment resistance against a bad environment such as temperature fluctuation and vibration becomes very high.

【0033】 回折格子での光束の合成が2か所(3
2B、32C)で行われ互いに分離しているので、2相
信号を得るためにわざわざ分割光学系を用意しなくても
回折格子32B、32Cの位相をずらして形成しておけ
ば所望の位相差信号が得られるので光学系の設計が容易
である。又、回折格子の断面形状の微妙な違いに位相差
が依存することがなく、振幅格子でも使用できる。
The luminous flux is synthesized at two places (3
2B and 32C) and are separated from each other. Therefore, if the diffraction gratings 32B and 32C are formed to be shifted in phase, a desired phase difference can be obtained without preparing a split optical system in order to obtain a two-phase signal. Since a signal is obtained, the design of the optical system is easy. Further, the phase difference does not depend on a subtle difference in the cross-sectional shape of the diffraction grating, and an amplitude grating can be used.

【0034】 回折格子での光束の分割と合成が別々
の場所で行なって光路を分離しているので、各面での反
射戻り光があっても受光素子に入射して問題を起こすこ
とがない。更に遮蔽板6を挿入しているため、往路の光
路と復路の光路とが筐体内において完全に光学的に絶縁
でき不要光の影響が除去される。
Since the division and combination of the luminous flux by the diffraction grating are performed at different places to separate the optical paths, even if there is reflected return light on each surface, it does not enter the light receiving element and cause a problem. . Furthermore, since the shielding plate 6 is inserted, the optical path on the outward path and the optical path on the return path are completely optically insulated in the housing, and the influence of unnecessary light is eliminated.

【0035】 往復の光路が分離しているので、短焦
点距離の小径マイクロレンズを形成することにより、発
光素子−レンズ間の距離を小さく出来て、小型化・薄型
化に有利である。
Since the reciprocating optical path is separated, forming a small-diameter microlens with a short focal length can reduce the distance between the light emitting element and the lens, which is advantageous for miniaturization and thinning.

【0036】 発光素子からの光束を反射素子で光路
を折り曲げる構成をとっているので、ガラス板と発光素
子を接近させてもレンズ−発光素子間を所望の焦点距離
だけ離す構成が可能で薄型化に有利である。
Since the light path from the light emitting element is bent by the reflective element, the optical path can be bent by the reflecting element. Therefore, even if the glass plate and the light emitting element are brought close to each other, the lens and the light emitting element can be separated by a desired focal length, and the thickness can be reduced. Is advantageous.

【0037】 スケール上の回折格子のピッチが細か
くなるほど回折角が大きくなり、スケールまでの距離が
小さくても回折光が十分空間的に分離できるので小型化
しやすい。つまり一般には背反する小型化と高精度化・
高分解能化の両者を同時に向上させることができる。
The smaller the pitch of the diffraction grating on the scale, the larger the diffraction angle. Even if the distance to the scale is small, the diffracted light can be sufficiently spatially separated, so that it is easy to reduce the size. In other words, miniaturization and high precision
Both high resolution can be improved at the same time.

【0038】 筐体の窓部にガラス板状の光学部品を
重ねて封止した構成なので、発光素子・受光素子・チッ
プ電子回路・電極のボンディング作業と、ガラス板状光
学機能部品の製造作業、両者の結合作業が独立している
ので組立性が良好である。
Since a glass plate-shaped optical component is overlapped and sealed on the window of the housing, the bonding work of the light emitting element, the light receiving element, the chip electronic circuit and the electrode, the manufacturing work of the glass plate shaped optical functional part, Since the joining operation of the two is independent, the assembling property is good.

【0039】 レリーフ透過型回折格子の形状を最適
設計することにより、高い効率で複合回折光が得られ
る。
By optimally designing the shape of the relief transmission type diffraction grating, composite diffracted light can be obtained with high efficiency.

【0040】<実施例2>次に本発明の第2実施例とし
て上記実施例を変形して安定性を一層高めたエンコーダ
を図5に示す。図中、先の実施例と同一の符号は同一あ
るいは同等の部材を表す。以下の実施例では前の実施例
と同様の構成は説明等一部省略する。本実施例ではそれ
ぞれ位相が1/4周期(90度)ずつずれた4相信号を
得てこれを基に2相の信号を生成することを特徴とす
る。
<Embodiment 2> Next, as a second embodiment of the present invention, FIG. 5 shows an encoder in which the above embodiment is modified to further improve the stability. In the drawing, the same reference numerals as those in the previous embodiment represent the same or equivalent members. In the following embodiments, the same components as those in the previous embodiment are partially omitted from explanation and the like. The present embodiment is characterized in that a four-phase signal whose phase is shifted by 1/4 cycle (90 degrees) is obtained, and a two-phase signal is generated based on this.

【0041】レンズ31B、31Cはガラス板上に形成
された複合レンズであり、4つの回折格子32B1 、3
2B2 、32C1 、32C2 を図示のように互いに位相
をずらして配列する。回折格子32B1 を基準に考えて
この位相を0度とすると、回折格子32C1 の位相は9
0度、回折格子32B2 の位相は180度、回折格子3
2C2 の位相は270度と1/4周期ずつ位相をずらし
て配列する。よって各回折格子(32B1と32B2、3
2C1と32C2)で位相の異なる回折光が出斜し、それ
ぞれが複合レンズの各レンズエレメントによって別々に
集光される。又、それぞれの回折格子を通過し各レンズ
エレメントによって別々に集光した各光束の光量を検出
するために、4つの受光素子4B1 、4B2 、4C1
4C2 を図示のように配置する。これらの受光素子によ
ってそれぞれ1/4周期ずつ位相のずれた4相信号が得
られる。これら4相信号を図示のようにプッシュプルに
接続して、180度の位相差を持った逆位相の信号同士
を差動増幅することにより、90度の位相差を持った2
相信号A,Bを生成する。
The lenses 31B and 31C are compound lenses formed on a glass plate, and include four diffraction gratings 32B 1 , 3B.
2B 2 , 32C 1 , and 32C 2 are arranged out of phase with each other as shown in the figure. When thinking diffraction grating 32B 1 relative to the phase to be 0 degrees, the diffraction grating 32C 1 phase 9
0 degrees, and the phase 180 degrees diffraction grating 32B 2, diffraction grating 3
The phase of 2C 2 is shifted by 1 / cycle of 270 degrees and is arranged. Thus the diffraction grating (32B 1 and 32B 2, 3
2C 1 and 32C 2 ), diffracted lights having different phases are emitted and each is separately collected by each lens element of the compound lens. Further, in order to detect the light amount of each light beam that has passed through each diffraction grating and separately collected by each lens element, four light receiving elements 4B 1 , 4B 2 , 4C 1 ,
4C 2 is arranged as shown. With these light receiving elements, a four-phase signal whose phase is shifted by 1 / cycle is obtained. These four-phase signals are connected to a push-pull as shown in the figure, and signals having opposite phases having a phase difference of 180 degrees are differentially amplified.
The phase signals A and B are generated.

【0042】このような構成をとることによって、スケ
ールの位相に伴って得られる周期信号の直流変動が除去
されるため、スケール側の不良(スケールの取付け傾
き、スケール上のゴミ、製造不良によるスケール反射率
のムラなど)や、光源側の不良(光源の光量変動、光源
の波長変動、不要光の混入など)があってもこれら影響
がキャンセルされ、劣悪な環境の元でも安定した信号が
得られるエンコーダとなる。
By adopting such a configuration, the DC fluctuation of the periodic signal obtained according to the phase of the scale is removed, so that a defect on the scale side (scale mounting inclination, dust on the scale, scale failure due to manufacturing defect). Even if there are irregularities in reflectivity, etc., or defects on the light source side (fluctuations in the light amount of the light source, fluctuations in the light source wavelength, mixing of unnecessary light, etc.), these effects are canceled, and a stable signal can be obtained even in a poor environment. Encoder.

【0043】又、複合レンズを用いて互いに位相の異な
る干渉信号を空間的に分離して異なる受光素子に入射さ
せているので、位相ずれやS/Nの低下が少ない。複合
レンズはレプリカ製法で容易に製作することができる。
Further, since the interference signals having different phases are spatially separated and made incident on different light receiving elements by using the compound lens, the phase shift and the decrease in S / N are small. The compound lens can be easily manufactured by a replica manufacturing method.

【0044】<実施例3>次に本発明の第3実施例のエ
ンコーダを図6を用いて説明する。実施例で使用するミ
リオーダーの微小部品は位置ずれが数十μmオーダーで
あっても光路が大きくずれて検出精度の劣化が大きくな
るので非常に高い組立精度が要求される。そこで本実施
例では調整機構を設けることによって光学系の調整を容
易にしたものである。エンコーダの検出原理自体は上記
第1実施例で説明したのと同様である。
<Embodiment 3> Next, an encoder according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Very small components on the order of millimeters used in the embodiments require a very high assembling accuracy since the optical path is greatly displaced and the detection accuracy is greatly deteriorated even if the displacement is on the order of tens of μm. Therefore, in this embodiment, the adjustment of the optical system is facilitated by providing an adjusting mechanism. The principle of detection of the encoder itself is the same as that described in the first embodiment.

【0045】図6において、筐体5内には発光素子1、
ミラー2、受光素子4A、4B、4Cなどの光学部材が
固定され、その上面の開口部には気密封止用の透明ガラ
ス板11が接着によって取り付けられる。一方、筐体5
の周囲には固定枠12が配置され、該固定枠の上面には
光学機能素子が形成されたガラス板3が取り付けられ
る。固定枠12と筐体5の相対位置関係を調整すること
で、筐体5内に固定される光学部材とガラス板3の表面
に形成されるレンズや回折格子等の光学機能素子との位
置合わせを行なうことができる。調整後は固定枠12の
四方に設けられたネジ機構13で固定され、又、隙間を
接着剤で充填することによって安定度を高めている。こ
のように本実施例ではエンコーダの構成要素を2つにユ
ニット化して、ユニット同士の相対調整を行う構成にし
たため、組立時の調整が容易で高精度なエンコーダとな
る。
In FIG. 6, a light emitting element 1 is provided in a housing 5.
Optical members such as the mirror 2, the light receiving elements 4A, 4B, and 4C are fixed, and a transparent glass plate 11 for hermetic sealing is attached to an opening on the upper surface thereof by bonding. On the other hand, case 5
A fixed frame 12 is arranged around the frame, and a glass plate 3 on which an optical function element is formed is mounted on the upper surface of the fixed frame. By adjusting the relative positional relationship between the fixed frame 12 and the housing 5, the alignment between the optical member fixed in the housing 5 and the optical functional element such as a lens or a diffraction grating formed on the surface of the glass plate 3 is performed. Can be performed. After the adjustment, it is fixed by screw mechanisms 13 provided on four sides of the fixed frame 12, and the gap is filled with an adhesive to increase the stability. As described above, in the present embodiment, since the components of the encoder are unitized into two units and the units are adjusted relative to each other, the adjustment at the time of assembly is easy and the encoder has high accuracy.

【0046】又、発光素子を内蔵した筐体は発熱が大き
い。ガラス板上のレプリカレンズや回折格子などの光学
機能素子にとって高熱は好ましいものではなく、特に回
折格子は熱膨張によってピッチが変動してしまうため、
エンコーダの検出精度に直接影響する場合がある。この
点に対して、本実施例では筐体5とガラス板3を別ユニ
ットとすることにより、筐体5からガラス板3への熱伝
導かなり抑えることができる。更には透明ガラス板11
も熱遮断の作用を有している。
Further, the housing containing the light emitting element generates a large amount of heat. High heat is not preferable for optical functional elements such as replica lenses and diffraction gratings on a glass plate, and especially the pitch of diffraction gratings fluctuates due to thermal expansion,
It may directly affect the detection accuracy of the encoder. On the other hand, in this embodiment, the heat conduction from the housing 5 to the glass plate 3 can be considerably suppressed by using the housing 5 and the glass plate 3 as separate units. Further, the transparent glass plate 11
Also have a heat blocking effect.

【0047】又、発光素子、受光素子等の電子部品の実
装作業後、直ちに筐体5の窓部に気密封止用の透明ガラ
ス板11を接合すれば、組み立て作業中に半導体レーザ
素子が空気中に露呈することによる信頼性の低下を最小
にすることができる。又、パッケージの気密性やガス発
生に留意した設計がしやすいという利点がある。
Also, immediately after the mounting operation of the electronic components such as the light emitting element and the light receiving element, if the transparent glass plate 11 for hermetic sealing is bonded to the window of the housing 5, the semiconductor laser element will be air-tight during the assembly operation. The reduction in reliability due to exposure inside can be minimized. In addition, there is an advantage that it is easy to design the package while paying attention to airtightness and gas generation.

【0048】<実施例4>次に、上記エンコーダの部品
配列を変更した第4実施例を説明する。図7は本実施例
の三面構成図であり、図8は要部の斜視図である。な
お、図中先の実施例と同一の符号は同一あるいは同等の
部材を表わす。
<Embodiment 4> Next, a description will be given of a fourth embodiment in which the component arrangement of the encoder is changed. FIG. 7 is a three-sided configuration diagram of the present embodiment, and FIG. 8 is a perspective view of a main part. In the drawing, the same reference numerals as those in the previous embodiment represent the same or equivalent members.

【0049】受光素子4A,4B,4Cは同一基板上に
並列に配置されている。ミラー2は先の実施例のものよ
り大きく、発光素子1からの放射光を反射して射出させ
ると共に、スケールで反射され入射した光を反射して受
光素子4B,4Cに導いている。又、プリズムミラー1
0は、発光素子1の後方面から放射されるモニタ用の光
を反射して受光素子4Aに指向すると共に、ミラー2で
反射され折返されたスケールからの光を反射して受光素
子4B,4Cに指向する。
The light receiving elements 4A, 4B, 4C are arranged in parallel on the same substrate. The mirror 2 is larger than that of the previous embodiment, reflects the emitted light from the light emitting element 1 and emits it, and reflects the light reflected and incident on the scale and guides it to the light receiving elements 4B and 4C. Also, prism mirror 1
Numeral 0 reflects the light for monitoring emitted from the rear surface of the light emitting element 1 and directs it to the light receiving element 4A, and also reflects the light from the scale reflected and reflected by the mirror 2 and the light receiving elements 4B and 4C. Oriented to

【0050】本実施例では先の実施例に較べて、受光素
子が一枚の基板上に並列に配列され、又、ミラー2、1
0は筐体と比べて比較的に大きい光学部品であるので、
組立性が良好であるという特徴を有する。
In this embodiment, as compared with the previous embodiment, the light receiving elements are arranged in parallel on one substrate, and the mirrors 2, 1
Since 0 is an optical component that is relatively large compared to the housing,
It has the feature that the assemblability is good.

【0051】又、受光素子が一列に並んでいる構成をと
っているため、信号光がミラー2、10間で集光される
光路をとるようになり、例えば、集光位置に穴開き遮光
板等を挿入することで、S/Nの良い信号光を受光素子
に入射させることができる。更には、一列に並んでいる
受光素子の上にプリズムミラー10が実装されているの
で、信号光の入射する面以外を遮光性の塗料等でマスク
することで、信号光の入射する方向以外のゴースト光を
遮断することができ、且つ信号光の入射する面に入射光
の入射角より大きな角度で入射する光を反射するような
薄膜等でコーティングすることにより、入射光の入射角
より大きな角度で入射するゴースト光を全て遮断するこ
とができ、S/Nの良い信号が得られる。
Further, since the light receiving elements are arranged in a line, the signal light takes an optical path to be condensed between the mirrors 2 and 10, and for example, a perforated light shielding plate is provided at the condensing position. By inserting the above, signal light having a good S / N ratio can be incident on the light receiving element. Furthermore, since the prism mirror 10 is mounted on the light receiving elements arranged in a line, the surface other than the surface on which the signal light is incident is masked with a light-shielding paint or the like, so that the surface other than the signal light incident direction is masked. The ghost light can be blocked, and the surface on which the signal light is incident is coated with a thin film or the like that reflects the light incident at an angle larger than the incident angle of the incident light, so that the angle larger than the incident angle of the incident light Can block all incident ghost light, and a signal with good S / N can be obtained.

【0052】<実施例5>上記第4実施例と同様の技術
思想を先の図5の構成に適用した第5実施例を図9に示
す。図9でこれまでと同一の符号は同一あるいは同等の
部材を表わす。本実施例でも図5の実施例と同様、ミリ
オーダに小型化され且つ対環境性が非常に高いエンコー
ダが得られる。なお、レンズ31B、31Cを図5と同
様の複合レンズとすれば一層好ましいものとなる。
<Embodiment 5> FIG. 9 shows a fifth embodiment in which the same technical concept as the fourth embodiment is applied to the configuration of FIG. In FIG. 9, the same reference numerals denote the same or equivalent members. In the present embodiment, similarly to the embodiment of FIG. 5, an encoder which is miniaturized to the order of millimeter and has extremely high environmental resistance can be obtained. In addition, it is more preferable that the lenses 31B and 31C be a compound lens similar to that of FIG.

【0053】<実施例6>図10は本発明の第6実施例
である光学式エンコーダを3方向から見た構成図であ
り、図11は主要部の斜視図である。
<Embodiment 6> FIG. 10 is a structural view of an optical encoder according to a sixth embodiment of the present invention viewed from three directions, and FIG. 11 is a perspective view of a main part.

【0054】これまでの実施例ではスケール20の回折
格子21に対して入射する光束と回折格子21で反射回
折する光束とは同一の面内に含まれたが、本実施例では
回折格子21に対して垂直方向からずれた角度で入射さ
せることによって、回折格子21への入射光を含む面と
反射光を含む面を異ならせたことを特徴とする。このた
めの手段として、ミラー2のミラー面の角度を、発光素
子1から生成される光束の方向に対して45度よりも大
きな値(例えば55度)に設定する。これによってミラ
ー2で反射された光束は垂直方向よりも傾いた方向(7
0度)に指向される。回折格子21で反射回折された光
は、ガラス板3の光学機能素子を介して受光素子4B、
4Cに導かれる。又、発光素子1の後方面から射出する
モニタ用の光はプリズム10で折返されて受光素子4A
に導かれる。これら受光素子4A、4B、4Cは一枚の
基板上に一列に配置形成されている。
In the above embodiments, the light beam incident on the diffraction grating 21 of the scale 20 and the light beam reflected and diffracted by the diffraction grating 21 are included in the same plane. On the other hand, by making the light incident at an angle deviated from the vertical direction, the surface containing the light incident on the diffraction grating 21 and the surface containing the reflected light are made different. As a means for this, the angle of the mirror surface of the mirror 2 is set to a value larger than 45 degrees (for example, 55 degrees) with respect to the direction of the light beam generated from the light emitting element 1. As a result, the light beam reflected by the mirror 2 is tilted in the direction (7
0 degrees). The light reflected and diffracted by the diffraction grating 21 passes through the optical function element of the glass plate 3 and the light receiving element 4B,
It is led to 4C. Further, the monitor light emitted from the rear surface of the light emitting element 1 is turned back by the prism 10 and the light receiving element 4A
Is led to. These light receiving elements 4A, 4B, 4C are arranged and formed in a line on one substrate.

【0055】このように本実施例では回折格子21の前
後の光束が分離しているので、受光素子への不要光の混
入が少なく高いS/Nで信号光を得ることができる。
又、光束径を大きくすることができるため、スケールに
付くゴミ等の影響を小さくすることができる。又、レン
ズ等の光学部品のサイズを大きくすることが可能とな
り、部品の加工・組立が容易になり、更には部品点数を
減らすことができる。
As described above, in the present embodiment, since the light beams before and after the diffraction grating 21 are separated, unnecessary light is not mixed into the light receiving element, and the signal light can be obtained with a high S / N.
Further, since the diameter of the light beam can be increased, the influence of dust and the like on the scale can be reduced. In addition, it is possible to increase the size of optical components such as lenses, so that processing and assembling of components are facilitated, and the number of components can be reduced.

【0056】<実施例7>上記第6実施例と同様の技術
思想の第7実施例を図12に示す。本実施例では回折格
子21に対して垂直方向からずれた角度で入射させる手
段として、ミラー2で垂直方向に反射する発光素子1か
らの光束の光軸に対して、レンズ31Aの光軸をずらす
ことによって、レンズ31Aを通過する光束を屈折させ
ている。これによって上記実施例6と同様に回折格子2
1への入射光と反射光が異なる面内に含まれ互いに分離
させることができる。又、遮光板16を図示のように挿
入することによって不要光が受光素子4B、4Cに混入
することを防いでいる。なおミラー2を遮光板16と同
等のサイズにして、ミラー2の受光素子4B、4C側の
面に遮光塗料を塗布する等の遮光処理を施せば、遮光板
16を配置したのと同等の作用が得られ遮光板16を省
略することができる。
<Embodiment 7> FIG. 12 shows a seventh embodiment having the same technical concept as the sixth embodiment. In this embodiment, as a means for making the light incident on the diffraction grating 21 at an angle deviated from the vertical direction, the optical axis of the lens 31A is shifted with respect to the optical axis of the light beam from the light emitting element 1 that is vertically reflected by the mirror 2. This refracts the light beam passing through the lens 31A. Thereby, the diffraction grating 2 is formed in the same manner as in the sixth embodiment.
The incident light and the reflected light on 1 are included in different planes and can be separated from each other. Further, by inserting the light shielding plate 16 as shown in the figure, unnecessary light is prevented from entering the light receiving elements 4B and 4C. If the mirror 2 is made the same size as the light-shielding plate 16 and a light-shielding process such as applying a light-shielding paint to the light-receiving elements 4B and 4C of the mirror 2 is performed, the same operation as when the light-shielding plate 16 is provided. And the light shielding plate 16 can be omitted.

【0057】<実施例8>次に本発明の第8実施例のエ
ンコーダの構成図を図13に示す。図中、これまでと同
一の符号は同一あるいは同等の部材を表わす。30は円
形の開口を有するマスクである。発光素子1から射出し
た発散光束はミラー2で進路を曲げられ、マスク30に
よって適切な径の発散光束Rが形成される。この発散光
束Rは回折格子3Aに照射される。回折格子32A,3
2B,32Cはこれまでの実施例と同様に透明ガラス板
の片面に形成されており、又、エンコーダの検出原理自
体もこれまでの実施例と同様である。
<Embodiment 8> FIG. 13 is a block diagram of an encoder according to an eighth embodiment of the present invention. In the drawings, the same reference numerals as those described above denote the same or equivalent members. Reference numeral 30 denotes a mask having a circular opening. The path of the divergent light beam emitted from the light emitting element 1 is bent by the mirror 2, and the divergent light beam R having an appropriate diameter is formed by the mask 30. This divergent light beam R is applied to the diffraction grating 3A. Diffraction grating 32A, 3
2B and 32C are formed on one surface of the transparent glass plate as in the previous embodiments, and the principle of detection of the encoder itself is the same as in the previous embodiments.

【0058】なお、発散光束を形成するための構成は図
13の形態に限らず、マスクの代わりに図14に示すよ
うにレンズ31を用いて適切な発散光束を形成するよう
にしても良い。
The configuration for forming the divergent light beam is not limited to the embodiment shown in FIG. 13, and an appropriate divergent light beam may be formed by using a lens 31 instead of the mask as shown in FIG.

【0059】本実施例の特徴は発散光束すなわち球面波
を受光素子にて入射させることである。図18は光束が
平行光束(平面波)の場合と発散光束(球面波)の場合
とを比較するための図である。これまでの実施例では光
束は平行光束すなわち平面波であるが、この場合、図1
8の左側に示すように、平行光束同士の干渉において干
渉縞のピッチP2 は2光束の角度θ2 によって決定され
る。よって図17に示すようにエンコーダヘッドに対し
てスケールが矢印の回転方向に取付け誤差が生じると干
渉状態が変化してしまう。つまり平面波の場合は、エン
コーダヘッドに対するスケールの取付け精度に高いレベ
ルが要求される。
The feature of this embodiment is that a divergent light beam, that is, a spherical wave, is incident on the light receiving element. FIG. 18 is a diagram for comparing the case where the light beam is a parallel light beam (plane wave) with the case of a divergent light beam (spherical wave). In the embodiments described above, the light beam is a parallel light beam, that is, a plane wave.
As shown on the left side of FIG. 8, the pitch P 2 of the interference fringes in the interference between the parallel light beams is determined by the angle θ 2 of the two light beams. Therefore, as shown in FIG. 17, if the scale has an attachment error in the rotation direction of the arrow with respect to the encoder head, the interference state changes. That is, in the case of a plane wave, a high level is required for the mounting accuracy of the scale to the encoder head.

【0060】これに対して図18の右側に示すように、
干渉する2光束A、Bが共に発散光(球面波)である場
合は、干渉縞のピッチPは光束A、Bの主光線の角度
θ1が何度であってもこれには関係なく、発光点A、B
の分離量△Xと発光点から観測面までの距離R(観測面
での球面波の曲率1/R)の比(△X/R)に依存す
る。△X/Rが0に近づくほどに干渉縞のピッチP1
大きくなり、その結果として干渉状態の変化は小さくな
る。従って発光点A、Bの分離量△Xに対してできるだ
け大きなRをとることにより、平面波に比べて球面波で
は図17のようなスケールの回転方向の取付け誤差に対
する出力変動が小さくなる。
On the other hand, as shown on the right side of FIG.
Interfering two light beams A, if B are both divergent light (spherical wave), the pitch P 1 of the interference fringe light beam A, regardless of the angle theta 1 of the principal ray of B is to be repeatedly , Emission points A, B
And the ratio (ΔX / R) of the separation amount ΔX of the light emitting point and the distance R from the light emitting point to the observation surface (the curvature 1 / R of the spherical wave on the observation surface). As ΔX / R approaches 0, the pitch P 1 of the interference fringes increases, and as a result, the change in the interference state decreases. Accordingly, by setting R as large as possible with respect to the separation amount ΔX between the light emitting points A and B, the output fluctuation with respect to the mounting error in the rotation direction of the scale as shown in FIG.

【0061】本実施例ではマスク30もしくはレンズ3
1によって受光素子4B、4Cの受光面上に上記のよう
な適切な曲率を持つ発散光束(球面波)を入射させるこ
とにより、図17のようなスケール21の取付誤差によ
る出力への影響を小さくし、取付組立が容易で環境変動
にも強いエンコーダを達成している。
In this embodiment, the mask 30 or the lens 3
By causing the divergent luminous flux (spherical wave) having an appropriate curvature as described above to enter the light receiving surfaces of the light receiving elements 4B and 4C by the method 1, the influence on the output due to the mounting error of the scale 21 as shown in FIG. 17 is reduced. In addition, an encoder that is easy to assemble and assemble and that is resistant to environmental changes has been achieved.

【0062】<実施例9>上記第8実施例と同様に球面
波を受光素子に入射させる第9実施例のエンコーダの構
成を図15に示す。図中、レンズ31Aは発光素子から
射出した光を集束光束もしくは平行光束に変換するもの
で、又、レンズ31B,31Cは適切な発散光に変換し
て受光素子4B,4Cに入射させるために設けられる。
これらレンズ31A,31B,31C、及び回折格子3
2A,32B,32Cはこれまでの実施例と同様に透明
ガラス板の表面に形成されている。
<Embodiment 9> FIG. 15 shows the configuration of an encoder according to a ninth embodiment in which a spherical wave is incident on a light receiving element in the same manner as in the eighth embodiment. In the figure, a lens 31A converts light emitted from a light emitting element into a converged light beam or a parallel light beam, and lenses 31B and 31C are provided for converting the light into appropriate divergent light and entering the light receiving elements 4B and 4C. Can be
These lenses 31A, 31B, 31C and diffraction grating 3
2A, 32B and 32C are formed on the surface of the transparent glass plate as in the previous embodiments.

【0063】発光素子1から射出した発散光束はミラー
2で進路を曲げられて、レンズ31Aによって集光光束
もしくは略平行光束Rに変換され、回折格子32Aに照
射される。エンコーダの検出原理自体はこれまでの実施
例と同様であるが、回折格子32Bにて光路を重ね合わ
された集束もしくは平行な光束R+1 -1 0 と光束R0 +1 -1
は、レンズ31Bにて適切な発散干渉光(球面波)に変
換されて光電素子4Bに入射する。又、回折格子32C
にて光路を重ね合わされた集束もしくは平行な光束R-1
+1 0 と光束R0 -1 +1 は、レンズ31Cにて適切な発散干
渉光(球面波)に変換されて光電素子4Cに入射する。
The divergent light beam emitted from the light emitting element 1 is bent by the mirror 2 and converted into a condensed light beam or a substantially parallel light beam R by the lens 31A, and is irradiated on the diffraction grating 32A. Although detection principle itself of the encoder is similar to the previous embodiments, it focused or collimated light beams superimposed optical paths by the diffraction grating 32B R +1 -1 0 and the light beam R 0 +1 -1
Is converted into appropriate divergent interference light (spherical wave) by the lens 31B and is incident on the photoelectric element 4B. Also, the diffraction grating 32C
Focused or parallel light flux R -1 with light paths superimposed at
The +1 0 and the light flux R 0 -1 +1 are converted into appropriate divergent interference light (spherical waves) by the lens 31C and enter the photoelectric element 4C.

【0064】このように本実施例では光電素子4B、4
Cの直前で干渉光を発散光にするため、光電素子4B、
4Cに入射する光量をより多くすることができる。よっ
て上記実施例8の効果に加えて、S/Nが更に良好な安
定した信号が得られるという効果が得られる。
As described above, in this embodiment, the photoelectric elements 4B, 4B
In order to make the interference light divergent just before C, the photoelectric element 4B,
The amount of light incident on 4C can be increased. Therefore, in addition to the effect of the eighth embodiment, an effect of obtaining a stable signal with a better S / N can be obtained.

【0065】<実施例10>第10実施例として、上記
第8、第9実施例と同様に適切な球面波を受光素子に入
射させるエンコーダの構成を図16に示す。レンズ31
Aは発光素子1から射出した光を集束して、スケール回
折格子21近傍にて一旦集光し、更にそこから発散光と
なって光電素子4B、4Cに入射する。
<Embodiment 10> As the tenth embodiment, FIG. 16 shows a configuration of an encoder for making an appropriate spherical wave incident on a light receiving element as in the eighth and ninth embodiments. Lens 31
A converges the light emitted from the light emitting element 1 and once condenses it in the vicinity of the scale diffraction grating 21, further diverges light from the light and enters the photoelectric elements 4B and 4C.

【0066】この状態で仮にスケール回折格子21と回
折格子32A、32B、32Cとの間のアライメントに
ずれが生じても、センサ面から見た2つの入射球面波の
点光源の位置がスケール回折格子付近にあるために、ア
ライメントずれの影響を殆ど受けることはない。すなわ
ち実施例8で説明したように、発光点A、Bの分離量△
Xがほぼ0になるので、θ1 が何度であっても干渉縞の
ピッチP1 はほぼ無限大となり、干渉状態は殆ど変化し
ないことになる。
In this state, even if the alignment between the scale diffraction grating 21 and the diffraction gratings 32A, 32B, 32C is shifted, the position of the point light source of the two incident spherical waves as viewed from the sensor surface is changed to the scale diffraction grating. Since it is in the vicinity, it is hardly affected by misalignment. That is, as described in the eighth embodiment, the separation amount of the light-emitting points A and B △
Since X becomes almost 0, the pitch P 1 of the interference fringes becomes almost infinite regardless of the number of θ 1 , and the interference state hardly changes.

【0067】<実施例11>第11実施例として、上記
第8〜10実施例と同様に適切な球面波を受光素子に入
射させるエンコーダの構成を図19に示す。本実施例に
おいては、分割回折格子から合成回折格子に至る光路上
の中間点に光束を収束させる事により、取付誤差によっ
て生じる干渉状態の変化を小さく抑えることが可能にな
っている。それにより、受光面上で干渉状態の変化によ
る出力変動が少なくなり、取付誤差の影響の少ないS/
N比の良い信号を得ることが出来る。またエンコーダを
1つの発光素子と少なくとも1つのマスクもしくはレン
ズと測定ヘッドに設けられた3つの回折格子とスケール
に設けられた回折格子と少なくとも2つの光電素子で構
成しているので、取付、組立が容易で、小型、高精度で
且つ構造が簡単で且つ取扱い易い安価なエンコーダを構
成できる。
<Embodiment 11> As an eleventh embodiment, FIG. 19 shows a configuration of an encoder for making an appropriate spherical wave incident on a light receiving element as in the eighth to tenth embodiments. In this embodiment, by converging the light flux to an intermediate point on the optical path from the divided diffraction grating to the combined diffraction grating, it is possible to suppress a change in the interference state caused by an attachment error to a small extent. As a result, output fluctuations due to changes in the interference state on the light receiving surface are reduced, and S / S is less affected by mounting errors.
A signal with a good N ratio can be obtained. Also, since the encoder is composed of one light emitting element, at least one mask or lens, three diffraction gratings provided on the measuring head, a diffraction grating provided on the scale, and at least two photoelectric elements, mounting and assembling are possible. An inexpensive encoder that is easy, compact, highly accurate, simple in structure, and easy to handle can be constructed.

【0068】以下、図19を用いて説明する。Hereinafter, description will be made with reference to FIG.

【0069】図19は本実施例による光学式エンコーダ
の構成を示した図である。図中、前述の実施例と同様の
部材には同じ符番を冠してある。発光素子1から出射し
た発散光束は、ミラー2で進路を曲げられて、レンズ3
1Aによって適切な収束光束Rにされ、回折格子32A
にて透過回折されて、0次回折光R0、+1次回折光R
+1、−1次回折光R-1に3分割されて射出する。
FIG. 19 is a diagram showing the configuration of the optical encoder according to the present embodiment. In the drawing, the same members as those in the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals. The divergent light flux emitted from the light emitting element 1 is deflected by the mirror 2 to form a lens 3
1A makes the beam converged appropriately, and the diffraction grating 32A
Are transmitted and diffracted by the first order diffracted light R 0 , the + 1st order diffracted light R
+1 and -1 order diffracted light R- 1 are divided into three and emitted.

【0070】回折格子32Aを直進した光束R0は、ス
ケール上に形成された回折格子21上の点P1にて反射
回折され、+1次回折光R0 +1、−1次回折光R0 -1に分
割され且つ位相変調され、それぞれ回折格子21近傍の
点011、点012において収束する。
[0070] Light beam R 0 with straight diffraction grating 32A is reflected and diffracted at a point P1 on the diffraction grating 21 formed on the scale, + 1-order diffracted light R 0 +1, -1 order diffracted light R 0 -1 The light is divided and phase-modulated, and converges at points 011 and 012 near the diffraction grating 21, respectively.

【0071】+1次回折光R0 +1の位相は+2πx/P
だけずれて、−1次回折光R0 -1の位相は−2πx/P
だけずれる。但しここでxは回折格子21の移動量、P
は回折格子21のピッチである。
The phase of the + 1st-order diffracted light R 0 +1 is + 2πx / P
The phase of the -1st-order diffracted light R 0 -1 is -2πx / P
Just shift. Where x is the amount of movement of the diffraction grating 21 and P
Is the pitch of the diffraction grating 21.

【0072】+1次回折光R0 +1は回折格子32Bにて
透過回折されて、0次回折光R0 +1 0、−1次回折光R0
-1−1およびその他の光束の分割され、このうち−1次
回折光R0 +1 -1は回折格子面と垂直に取り出される。こ
の光束の波面の位相ずれは回折格子32Bに位相ずれが
なければ+2πx/Pである。
The + 1st-order diffracted light R 0 +1 is transmitted and diffracted by the diffraction grating 32B, and the 0th-order diffracted light R 0 +1 0 and the −1st-order diffracted light R 0 are transmitted.
-1 -1 and other light beams are divided, and the -1st-order diffracted light R 0 +1 -1 is taken out perpendicular to the diffraction grating surface. The phase shift of the wavefront of this light beam is + 2πx / P if there is no phase shift in the diffraction grating 32B.

【0073】−1次回折光R0 -1は回折格子32Cにて
透過回折されて、0次回折光R0 -1 0、+1次回折光R0
-1 +1およびその他の光束の分割され、このうち+1次回
折光R0 -1 +1は回折格子面と垂直に取り出される。この
光束の波面の位相ずれは回折格子32Cに位相ずれがな
ければ−2πx/Pである。
[0073] -1-order diffracted light R 0 -1 is being transmitted diffracted by the diffraction grating 32C, 0-order diffracted light R 0 -1 0, + 1-order diffracted light R 0
-1 +1 and other light beams are divided, and the + 1st-order diffracted light R 0 -1 +1 is extracted perpendicular to the diffraction grating surface. If there is no phase shift in the diffraction grating 32C, the phase shift of the wavefront of this light beam is -2πx / P.

【0074】ここで回折格子32Bを32Cに対して、
格子の配列位相関係をP/4だけずらしておけば、+1
次回折光R0 -1 +1は波面の位相がさらに−2π(P/
4)/P=−π/2だけずれて、−2πx/P−π/2
になる。
Here, the diffraction grating 32B is set at 32C with respect to 32C.
If the arrangement phase relation of the lattice is shifted by P / 4, +1
The diffracted light R 0 -1 +1 has a wavefront phase of −2π (P /
4) / P = -2πx / P-π / 2 shifted by -π / 2
become.

【0075】回折格子32Aにて+1次回折した光束R
+1は、回折格子21近傍の点02において収束したのち
スケール上の回折格子21上の点P2にて反射回折され
て−1次回折光R+1 -1、0次回折光R+1 0およびその他
の光束に分割され、それぞれ位相変調される。このうち
−1次回折光R+1 -1の位相は、−2πx/Pだけずれ
て、回折格子32Bに入射し、そこでこのまま直進した
0次回折光R+1 -1 0の波面の位相は、−2πx/Pであ
る。
Light beam R diffracted by + 1st order at diffraction grating 32A
+1 converges at a point 02 in the vicinity of the diffraction grating 21 and is reflected and diffracted at a point P2 on the diffraction grating 21 on the scale to be a -1st-order diffracted light R +1 -1 , a 0th-order diffracted light R + 10, and others. , And phase-modulated. Among -1 order diffraction light R +1 -1 phase is shifted by -2πx / P, incident on the diffraction grating 32B, where the remains straight and the zero-order diffracted light R +1 -1 0 wavefront phase is - 2πx / P.

【0076】回折格子32Aにて−1次回折した光束R
-1は、回折格子21近傍の点03において収束したのち
スケール上の回折格子21上の点P3にて反射回折され
て、+1次回折光R-1 +1、0次回折光R-1 0およびその
他の光束に分割され、それぞれ位相変調される。このう
ち+1次回折光R-1 +1の位相は、+2πx/Pだけずれ
て、回折格子32Cに入射し、そこでこのまま直進した
0次回折光R-1 +1 0の波面の位相は、+2πx/Pであ
る。
Light beam R diffracted by -1st order at diffraction grating 32A
-1 converges at a point 03 near the diffraction grating 21 and is reflected and diffracted at a point P3 on the diffraction grating 21 on the scale, and the + 1st-order diffraction light R -1 +1 , the 0th-order diffraction light R - 10, and others. , And phase-modulated. Among + 1st-order diffracted light R -1 +1 of phase, + 2.pi.x / P only displaced, incident on the diffraction grating 32C, where this remains straight and the zero-order diffracted light R -1 +1 0 of the wavefront phase is, + 2.pi.x / P It is.

【0077】上述した各光束の収束点は、各光束の格子
32Aから32Bまたは32Cまでの光路の光路長の中
間光路長位置になるように設定されている。即ち例えば
光束R+1 -1と光束R0 +1の回折格子21から回折格子3
2Bに達するまでの光路長をそれぞれL、L′としたと
きに、回折格子32Bからの光路長が略(L+L′)/
2の位置に光束R+1 -1(すなわち光束R+1)と光束R0
+1の収束点が形成されるように設定されている。光束R
-1 +1と光束R0 -1においても同様である。
The convergence point of each light beam described above is set at an intermediate optical path length position of the light path length of the light path from the grating 32A to 32B or 32C of each light beam. That is, for example, from the diffraction grating 21 of the light beam R +1 -1 and the light beam R 0 +1 to the diffraction grating 3
Assuming that the optical path lengths before reaching 2B are L and L ', respectively, the optical path length from the diffraction grating 32B is approximately (L + L') /
The light beam R +1 -1 (that is, the light beam R +1 ) and the light beam R 0 are located at the position 2.
It is set so that a convergence point of +1 is formed. Luminous flux R
The same applies to -1 +1 and light flux R 0 -1 .

【0078】回折格子32Bにて光路を重ね合わされた
光束R+1 -1 0と光束R0 +1 -1は、干渉光となって光電素子
4Bに入射する。このときの干渉位相は、 {+2πx/P}−{−2πx/P}=4πx/P となり、スケール上の回折格子21が1/2ピッチ移動
するごとに1周期の明暗信号が発生する。
[0078] Light beams superimposed optical path R +1 -1 0 and the light beam R 0 +1 -1 are at the diffraction grating 32B, become interference light incident on the photoelectric element 4B. The interference phase at this time is as follows: {+ 2πx / P} − {− 2πx / P} = 4πx / P, and a light-dark signal of one cycle is generated every time the diffraction grating 21 on the scale moves by ピ ッ チ pitch.

【0079】回折格子32Cにて光路を重ね合わされた
光束R-1 +1 0と光束R0 -1 +1は、干渉光となって光電素子
4Bに入射する。このときの干渉位相は、 {−2πx/P}−{+2πx/P}=−4πx/P となり、スケール上の回折格子21が1/2ピッチ移動
するごとに1周期の明暗信号が発生し、光電素子4Bと
は明暗のタイミングが1/4周期だけずれる。
The light beams R -1 +1 0 and R 0 -1 +1 whose optical paths are overlapped by the diffraction grating 32C are incident on the photoelectric element 4B as interference light. The interference phase at this time is as follows: {-2πx / P} −π + 2πx / P} =-4πx / P, and every time the diffraction grating 21 on the scale moves by ピ ッ チ pitch, a light-dark signal of one cycle is generated. The light / dark timing is shifted from the photoelectric element 4B by 1 / cycle.

【0080】上記装置では干渉光学系が非常にシンプル
な構成であり、レンズ、回折格子をレプリカ製法等でガ
ラスの両面に作成すれば、小型で安価なエンコーダが実
現できる。本実施例においては、特に以下のような利点
がある。
In the above apparatus, the interference optical system has a very simple configuration. If a lens and a diffraction grating are formed on both sides of glass by a replica manufacturing method or the like, a small and inexpensive encoder can be realized. This embodiment has the following advantages.

【0081】1)スケール上の回折格子21と光束を分
割合成するための回折格子(32A、32B、32C)
との間に角度ズレを与えて配置しても干渉信号が安定し
て出力される。以下に図20〜図29を用いてその理由
を説明する。
1) Diffraction gratings (32A, 32B, 32C) for dividing and synthesizing the light beam with the diffraction grating 21 on the scale
The interference signal is stably output even if an arrangement is made with an angle deviation between the two. The reason will be described below with reference to FIGS.

【0082】図20は図19に示した装置を原理的に示
したもので、ミラー2のない状態で表示してある。各セ
ンサ面上でそれぞれ検出される干渉2光束に関して、回
折格子21側と回折格子32A、32B、32C側が回
転ずれを起こしていない本来の状態ならば、干渉する2
つの光束の主光線は一致し、両者の球面波は常に同心状
態となっている。しかしながらこの2光束は、スケール
に図20に示すようなアジマス角度ズレθを与えると、
図21に示す様に両者の主光線の間に角度差(θ1)が
生じてしまう。この場合センサ面上では、平面波の場合
よりもはるかに程度が小さいとはいえ、両者の球面波の
ずれから多少干渉むらが生じる。
FIG. 20 shows the principle of the device shown in FIG. 19 and is shown without the mirror 2. With respect to the two interference light beams detected on the respective sensor surfaces, if the diffraction grating 21 side and the diffraction gratings 32A, 32B, 32C side are in the original state in which there is no rotational displacement, the interference 2
The principal rays of the two light beams coincide, and the spherical waves of both light beams are always concentric. However, when these two light beams are given an azimuth angle shift θ as shown in FIG.
As shown in FIG. 21, an angle difference (θ1) occurs between the two principal rays. In this case, although the degree is much smaller than that of the plane wave, the interference between the two spherical waves causes some unevenness of the interference on the sensor surface.

【0083】このように球面波を有する2光束A、Bの
主光線に角度差がある状態を模式的に図22に示す。点
A、OBはそれぞれ2光束A、Bの集光点、AA、AB
それぞれ2光束A、Bの主光線であり、Wは波面を示
す。このような光線状態では、ある特定位置(図22の
C点)においてその主光線が交差しているように見え
る。この交差しているように見える位置を今後、交差位
置として記述する。光束の収束位置が上記交差位置と一
致していなければ、2つの点光源(集束点)が分離して
しまうことになる。点光源は各光束の球面波の中心に一
致するので、両光束の球面波は非同心となり、図22で
「明」「暗」で示すように、センサ面上で干渉縞が生じ
る。センサ面上の干渉縞のピッチP1は光束A、Bの主
光線の角度θ1が何度であってもこれに関係なく、集束
点A、Bの分離量ΔXと点光源から観測面までの距離R
(観測面での球面波の曲率1/R)の比(ΔX/R)に
依存する。ΔX/Rが0に近づけば近づくほど干渉縞の
ピッチP1は大きくなり、その結果として干渉状態の変
化は少なくなる。極端な例だと、ΔX=0であればθ1
が何度であっても干渉縞のピッチP1は無限大となり干
渉状態は変化しない。集束点A、Bを干渉2光束の主光
線の交差位置Cに近づける事によって分離量ΔXをでき
るだけ小さな値にすることができる。ここで干渉2光束
の主光線の交差位置について説明する。この干渉2光束
の主光線の交差位置と、波長と格子ピッチの比と、図2
0の回転角(アジマス角)θとの関係は、格子間距離L
2を単位長さとすると、図20の光学系の場合図25の
様なグラフが得られる(干渉2光束の交差位置は、光束
を合成する格子32B、32Cからの距離で表され、符
号が負の場合はセンサ面4b、4cから見て格子32
B、32Cから遠ざかる方向で、正の場合は近づく方向
である)。これから干渉2光束の交差位置は、この光学
系においては波長λや格子のピッチP、アジマス角θに
よらずほぼ一定で、格子間の光路32A〜32B(格子
32Aで分割された光がスケール21で反射回折されて
から格子32Bに入射するまでの光路)、または32A
〜32C(格子32Aで分割された光がスケール21で
反射回折され格子32Cに入射する光路)の中間の光路
長位置、すなわち格子32Aから32Bまたは32Cま
での光路の光路長の半分の光路長に対応する位置とな
る。これはまた、図19に示すような集束点を格子32
Aから32Bまたは32Cまでの光路の光路長の半分の
光路長位置(干渉する2つの回折光が回折格子21から
回折格子32Bあるいは32Cに達するまでの光路長を
それぞれL、L′としたときに、回折格子32Bあるい
は32Cからの光路長が略(L+L′)/2の位置)に
設定した装置では、干渉する2光束の交差位置と集光位
置が略一致して2光束の球面波が同心となり、理論的に
センサ面上で干渉縞が生じない事を示している。
FIG. 22 schematically shows a state where the principal rays of the two light beams A and B having spherical waves have an angle difference. Point O A, O B are each two light beams A, B of the focal point, A A, A B Each two beams A, principal rays of B, W denotes the wavefront. In such a ray state, it appears that the principal rays intersect at a certain specific position (point C in FIG. 22). The position that appears to intersect will be described as an intersection position in the future. If the convergence position of the light beam does not coincide with the intersection position, the two point light sources (convergence points) will be separated. Since the point light source coincides with the center of the spherical wave of each light beam, the spherical waves of both light beams are non-concentric, and interference fringes occur on the sensor surface as shown by "bright" and "dark" in FIG. The pitch P1 of the interference fringes on the sensor surface is independent of the angle θ1 of the principal ray of the light beams A and B, regardless of the angle, and the separation amount ΔX of the focal points A and B and the distance from the point light source to the observation surface. R
(The curvature 1 / R of the spherical wave on the observation surface) depending on the ratio (ΔX / R). As ΔX / R approaches 0, the pitch P1 of the interference fringes increases, and as a result, the change in the interference state decreases. In an extreme example, if ΔX = 0, then θ1
No matter how many times, the pitch P1 of the interference fringes becomes infinite and the interference state does not change. By bringing the convergence points A and B closer to the intersection C of the principal rays of the two interference light beams, the separation amount ΔX can be made as small as possible. Here, the intersection position of the principal rays of the two interference light beams will be described. FIG. 2 shows the intersection of the principal rays of the two interference light beams, the ratio of the wavelength to the grating pitch, and FIG.
The relationship between the rotation angle (azimuth angle) θ of zero and the lattice distance L
If the unit length is 2, the graph shown in FIG. 25 is obtained in the case of the optical system of FIG. 20. (The intersection position of the two interference light beams is represented by the distance from the gratings 32B and 32C for combining the light beams, and the sign is negative. In the case of, the grid 32 viewed from the sensor surfaces 4b and 4c
B, 32C, in the direction away from it, and in the positive case, it is the direction to approach). From this, the intersection position of the two interference light beams is almost constant in this optical system irrespective of the wavelength λ, the pitch P of the grating, and the azimuth angle θ, and the optical paths 32A to 32B between the gratings (the light split by the grating 32A Optical path from the reflection and diffraction of the light to the incidence on the grating 32B), or 32A
To an intermediate optical path length position of .about.32C (an optical path where the light split by the grating 32A is reflected and diffracted by the scale 21 and enters the grating 32C), that is, an optical path length half the optical path length of the optical path from the grating 32A to 32B or 32C. It will be the corresponding position. This also allows the focal point as shown in FIG.
An optical path length position at half the optical path length of the optical path from A to 32B or 32C (when the optical path lengths until two interfering diffracted lights reach the diffraction grating 32B or 32C from the diffraction grating 21 are L and L ', respectively) In a device in which the optical path length from the diffraction grating 32B or 32C is set to approximately (L + L ') / 2), the intersection position of the two interfering light beams and the converging position are substantially the same, and the spherical waves of the two light beams are concentric. Which indicates that no interference fringes theoretically occur on the sensor surface.

【0084】図26はアジマス角θと交差位置との関係
を示すグラフであり、これから理解されるように交差位
置は実際にはアジマス角θが増加するとともにスケール
21に近づく方向に微動している。この理由は以下の通
りである。スケールにアジマス角θを与えると反射回折
の方向が、図20のY軸方向とX軸方向にズレ始める。
しかしそのY軸方向のズレはアジマス角θが小さいと
き、または、回折角が小さいと無視できる。つまりこの
とき干渉2光線の交差位置はX軸方向のズレだけで計算
でき、前述した格子間の光路長の中間の位置にほぼ一致
する。これよりもアジマス角θが大きくなったり、回折
角が大きかったりすると、Y軸方向のズレが無視できな
くなり干渉2光束の交点位置はスケールに近づく方向に
移動する。しかしその移動量は、図26の様から理解さ
れる通り格子間距離に比べほとんど無視できる大きさで
ある。
FIG. 26 is a graph showing the relationship between the azimuth angle θ and the intersection position. As will be understood from the graph, the intersection position actually moves slightly in the direction approaching the scale 21 as the azimuth angle θ increases. . The reason is as follows. When the azimuth angle θ is given to the scale, the direction of reflection and diffraction starts to shift in the Y-axis direction and the X-axis direction in FIG.
However, the deviation in the Y-axis direction can be ignored when the azimuth angle θ is small or when the diffraction angle is small. That is, at this time, the intersection position of the two interference beams can be calculated only by the displacement in the X-axis direction, and substantially coincides with the above-mentioned intermediate position of the optical path length between the gratings. If the azimuth angle θ becomes larger or the diffraction angle becomes larger than this, the deviation in the Y-axis direction cannot be ignored and the position of the intersection of the two interference light beams moves in a direction approaching the scale. However, the movement amount is almost negligible as compared with the inter-grating distance as understood from FIG.

【0085】以上の事から、コリメータレンズ31Aに
よって格子間の光路長の略中間の位置に対応する位置に
て光束を集束する事により、スケールと光束を分離合成
する為の回折格子32A、32B、32Cとの相対角
(アジマス角)による出力低下を抑える事が出来る。例
えば、実施例において格子間距離を1mmとし、P=
1.6μm、λ=0.78μmとすると理想的な収束位
置は、光束を合成する回折格子32B、32Cから−
1.072657mmの位置である。
As described above, the collimator lens 31A converges a light beam at a position corresponding to a substantially middle position of the optical path length between the gratings, so that the diffraction gratings 32A and 32B for separating and synthesizing the scale and the light beam are provided. A decrease in output due to a relative angle (azimuth angle) with 32C can be suppressed. For example, in the embodiment, the distance between lattices is 1 mm, and P =
Assuming that 1.6 μm and λ = 0.78 μm, the ideal convergence position is-from the diffraction gratings 32B and 32C that combine the light flux.
1.072657 mm.

【0086】次に具体的に理想的な収束位置と実際の収
束位置との間のずれについて検証する。まず回折格子に
対する入射角、射出角と格子の存在する方向との関係を
明確にする。そこで回折格子への入射ベクトルをU
0(u0x,u0y,u0z)、射出ベクトルをU1(u1x,u
1y,u1z)、デカルト座標のx−y平面に格子が存在す
るとし、格子のピッチをP(Pxをx方向の、Pyをy
方向のピッチとする。)回折次数をm、光の波長をλと
すると以下の関係が成り立つ。
Next, the deviation between the ideal convergence position and the actual convergence position will be specifically verified. First, the relationship between the incident angle and the exit angle with respect to the diffraction grating and the direction in which the grating exists will be clarified. Therefore, the incident vector on the diffraction grating is expressed as U
0 (u 0x , u 0y , u 0z ), and the ejection vector as U 1 (u 1x , u
1y , u 1z ), a grid exists on the xy plane of the Cartesian coordinates, and the pitch of the grid is P (Px in the x direction, Py is y
Direction pitch. ) When the diffraction order is m and the wavelength of light is λ, the following relationship is established.

【0087】u1x=u0x+mλ/Px u1y=u0y+mλ/Py u1x 2+u1y 2+u1z 2=1 u0x 2+u0y 2+u0z 2=1 (以上、式(8)) この関係を基礎にし、図21の様にスケール20と光束
を分割合成する格子32A〜32Cとの間に相対角θ
(アジマス角)の回転が発生したとき、干渉光として取
り出される光束R0 +1 -1、R+1 -1 0を合成する格子32B
を射出するベクトルは以下のようになる(格子32Aに
入射する方向を正とした)。
[0087] u 1x = u 0x + mλ / Px u 1y = u 0y + mλ / Py u 1x 2 + u 1y 2 + u 1z 2 = 1 u 0x 2 + u 0y 2 + u 0z 2 = 1 ( or formula (8)) The Based on the relationship, the relative angle θ between the scale 20 and the gratings 32A to 32C for dividing and synthesizing the light flux as shown in FIG.
When the rotation of the (azimuth angle) occurs, the grid combining light beams R 0 +1 -1, R +1 -1 0 which is taken out as an interference light 32B
Are as follows (the direction of incidence on the grating 32A is positive).

【0088】光束R0 +1 -1の格子32Bからの射出ベク
トルU2(u2x,u2y,u2z)は
The emission vector U 2 (u 2x , u 2y , u 2z ) of the light beam R 0 +1 -1 from the grating 32B is

【0089】[0089]

【外1】 となり、光束R+1 -1 0の格子32Bからの射出ベクトル
2′(u2x′,u2y′,u2z′)は
[Outside 1] Next, the injection vector U 2 from the light beam R +1 -1 0 grating 32B '(u 2x', u 2y ', u 2z') is

【0090】[0090]

【外2】 となる。干渉2光束の角度差θ1はθ1=ArcCos
[U2・U2′](・はベクトルの内積である)を考慮し
て、式(9)(10)より以下のようになる。
[Outside 2] Becomes The angle difference θ 1 between the two beams of interference is θ 1 = ArcCos
Considering [U 2 · U 2 '] (• is the inner product of vectors), the following is obtained from equations (9) and (10).

【0091】θ1=ArcCos[(2λ/P)2(co
sθ−1)+1] アジマス角は数分程度の大きさなので、θの2次までの
近似を用いると上記関係式は θ1=(2λ/P)θ (ただしθ≪1) (11) となる。これから干渉2光束の角度差θ1とλ/Pとア
ジマス角θとの関係は図23の様になり、λ=0.78
μm、P=1.6μmとすると図24の様になる。
Θ 1 = ArcCos [(2λ / P) 2 (co
sθ-1) +1] Since the azimuth angle is about several minutes, if the approximation to the second order of θ is used, the above relational expression becomes θ 1 = (2λ / P) θ (θ≪1) (11) Become. From this, the relationship between the angular difference θ 1 of the two interference light beams, λ / P, and the azimuth angle θ is as shown in FIG. 23, and λ = 0.78
If μm and P = 1.6 μm, the result is as shown in FIG.

【0092】次に32Bに入射する光束に注目し、干渉
2光束R0 +1 -1、R+1 -1 0の主光線のセンサ面上から見た
交差の位置を求める。この2光束の合成用格子32Bか
ら射出する光束のベクトルはそれぞれ式(9)(10)
で与えられる。式(8)の関係式と各回折格子との間隔
を用いると、2光線の各回折格子との交点を求める事が
出来る。これから各光束と格子32Bとの交点、すなわ
ち格子32B上における光線の射出位置P0、P+1が求
まる。これから点P0を通り式(9)で示されるベクト
ル(U2)に平行な直線と、点P+1を通り式(10)に
示されるベクトル(U2′)に平行な直線が求まる。こ
の2直線の交差する位置を求めればその位置が求める交
差位置である。この交差位置は、以下2光束を合成する
格子32BをZ軸の原点とし、スケール20の方向を負
として考える。またX、Y方向の位置については以下の
通りに考えられる。格子32Bに垂直に交わる垂線と、
アジマスにより分離された2光束R0 +1 -1、R+1 -1 0との
角度は、互いに正反対の方向でほぼ同じである。これよ
り、2直線の交差するX、Y方向の位置は、アジマスの
ないときの光軸の近傍となる。すなわち2直線の交差す
る位置は、アジマスのないときの光軸方向すなわちZ方
向の位置だけを考慮すればよい。以下の説明ではZ方向
の位置のみ考える。光束を分割合成する格子32A、3
2B、32Cとスケール上の格子21との間隔L2を単
位長さとすると上記交差位置Zとアジマス角θと波長/
ピッチλ/Pの関係式は、これらの関係を用いると求ま
る。この式をグラフにしたものが前述の図25であり
(座標の原点は光束を合成する回折格子とし、そこから
センサに近づく方向を正、遠ざかる方向を負とする。)
λ=0.78μm、P=1.6μmとすると図26の様
になる。また図25にグラフとして示された関係式をθ
で展開すると
[0092] then focused on the light flux incident on the 32B, the interference two light beams R 0 +1 -1, determine the position of the intersection as viewed from the sensor surface of the main ray of the R +1 -1 0. The vectors of the luminous flux emitted from the two-beam synthesizing grating 32B are expressed by the equations (9) and (10), respectively.
Given by Using the relational expression of Expression (8) and the distance between the diffraction gratings, the intersection of the two light rays with each diffraction grating can be obtained. From this, the intersections of each light beam and the grating 32B, that is, the light emission positions P 0 and P +1 on the grating 32B are obtained. From this, a straight line passing through the point P 0 and parallel to the vector (U 2 ) shown in the equation (9) and a straight line passing through the point P + 1 and being parallel to the vector (U 2 ′) shown in the equation (10) are obtained. If the position where these two straight lines intersect is obtained, the position is the intersection position to be obtained. This intersection position is considered assuming that the grating 32B for combining the two light beams is the origin of the Z axis and the direction of the scale 20 is negative. The positions in the X and Y directions are considered as follows. A perpendicular perpendicular to the grid 32B;
Two light beams R 0 +1 -1 which is separated by the azimuth angle of the R +1 -1 0 is substantially the same in the opposite directions. Thus, the position in the X and Y directions where the two straight lines intersect is near the optical axis when there is no azimuth. That is, as for the position where the two straight lines intersect, only the position in the optical axis direction when there is no azimuth, that is, the position in the Z direction may be considered. In the following description, only the position in the Z direction is considered. Gratings 32A, 3 for splitting and combining light beams
2B, 32C and when the distance L 2 between the grating 21 on the scale and unit length the intersection position Z and azimuth angle θ and the wavelength /
The relational expression of the pitch λ / P is obtained by using these relations. FIG. 25 is a graph of this equation (the origin of the coordinates is a diffraction grating for synthesizing light flux, and the direction approaching the sensor from the diffraction grating is positive, and the direction away from the sensor is negative).
If λ = 0.78 μm and P = 1.6 μm, the result is as shown in FIG. Further, the relational expression shown as a graph in FIG.
When expanded with

【0093】[0093]

【外3】 となり、θの2次以上の項を無視すると、[Outside 3] And ignoring the second and higher order terms of θ,

【0094】[0094]

【外4】 となる。スケール21から格子32Bまでの異なった光
路長の平均の光路長を計算すると、この式(13)に示
される距離Zに概ね一致している。この式(13)は、
λ=0.78μm、P=1.6μmという条件をいれる
と−1.07265という値になる。図26の−1.0
72という位置は、上記よりほぼ反射回折されるスケー
ル21から光束を合成する異なった2つの光路長の平均
の距離となっている事がわかる。よってθ≦5度ぐらい
の領域において式(13)の近似が成り立つ。またスケ
ールの位置はこの場合−1である事から、−1.072
という位置がスケールの近傍である事も理解される。さ
らに、図25または、式(13)よりアジマス角を変化
させてもλ/Pの比が1より小さく且つ1に近くなけれ
ば、干渉2光束の交差位置はほぼ一定である事も理解さ
れよう。
[Outside 4] Becomes When the average optical path length of the different optical path lengths from the scale 21 to the grating 32B is calculated, the average optical path length substantially matches the distance Z shown in the equation (13). This equation (13) is
Under the conditions of λ = 0.78 μm and P = 1.6 μm, the value becomes −1.07265. -1.0 in FIG. 26
It can be seen that the position 72 is an average distance of two different optical path lengths for synthesizing a light beam from the scale 21 that is substantially reflected and diffracted. Therefore, the approximation of Expression (13) holds in a region of about θ ≦ 5 degrees. Since the position of the scale is -1 in this case, -1.072
It is also understood that the position is near the scale. Furthermore, it can be understood from FIG. 25 or equation (13) that the intersection position of the two interference light beams is substantially constant unless the ratio of λ / P is smaller than 1 and close to 1 even when the azimuth angle is changed. .

【0095】以上の事より上記干渉2光束の交差位置に
おいて光束が収束していれば、前述のようにアジマス角
による干渉状態変化はほとんどなくなるわけである。し
かしこの理想光束収束位置からずれた位置に光束が収束
したときには、干渉状態が変化し出力低下につながる。
次にこの光束収束位置ズレによるセンサ上での干渉縞の
本数を求める。
As described above, if the light beam converges at the intersection of the two interference light beams, the change in the interference state due to the azimuth angle hardly occurs as described above. However, when the light beam converges to a position shifted from the ideal light beam convergence position, the interference state changes and leads to a decrease in output.
Next, the number of interference fringes on the sensor due to the deviation of the light beam convergence position is obtained.

【0096】図29のように、理想光束収束位置からセ
ンサ面に下ろした法線とセンサ面との交点(ここをセン
サ面中心に設定する)からセンサ端までの距離をRS
センサ端と集束点間距離をLS、LS′(LS<LS′)、
2光束を合成する回折格子32Bとセンサ4Bとの間隔
をL3、上記理想集束位置をLi、そこからのZ方向ずれ
量をDZとすると
As shown in FIG. 29, the distance from the intersection of the sensor surface with the normal drawn from the ideal light beam convergence position to the sensor surface (which is set at the center of the sensor surface) is R S ,
The distance between the sensor end and the focal point is represented by L S , L S ′ (L S <L S ′),
Assuming that the distance between the diffraction grating 32B for synthesizing the two light fluxes and the sensor 4B is L 3 , the ideal focusing position is L i , and the deviation amount in the Z direction therefrom is D Z.

【0097】[0097]

【外5】 この2つの光路の光路差ΔLは、 ΔL=|LS′−LS| となりΔL=λ/2のときセンサ中心がもっとも明るく
なり、センサの端で最も暗くなる。その結果センサ面上
全体で、干渉縞が1本となる。そこでセンサ面上の干渉
縞の本数H0n
[Outside 5] The optical path difference ΔL between these two optical paths is as follows: ΔL = | L S ′ −L S | When ΔL = λ / 2, the sensor center becomes the brightest and the sensor edge becomes the darkest. As a result, one interference fringe is formed on the entire sensor surface. Therefore, the number of interference fringes H 0n on the sensor surface is

【0098】[0098]

【外6】 となり、ここでθ1は式(11)よりアジマス角θの関
数で、Liも図16の光学系を取る場合上記式(13)
で導出されたように、
[Outside 6] Next, where theta 1 is a function of the azimuth angle theta from equation (11), if the expression L i also take an optical system of FIG. 16 (13)
As derived in

【0099】[0099]

【外7】 となり、H0nはここで単位長さ当たりの干渉縞の本数を
nとするとH0n=RSnの関係が成り立つから
[Outside 7] Where H 0n is a relation of H 0n = R S n where n is the number of interference fringes per unit length.

【0100】[0100]

【外8】 となる。[Outside 8] Becomes

【0101】次にセンサ出力とセンサ面上での干渉縞の
本数の関係について説明をする。センサ面上に干渉縞が
生ずると受光素子出力振幅は減少する。またセンサ面上
に干渉縞の本数が0に近づくと、受光素子出力振幅は最
大になる。そこで干渉縞のコントラストをVとするとV
は以下のようになる。
Next, the relationship between the sensor output and the number of interference fringes on the sensor surface will be described. When an interference fringe occurs on the sensor surface, the output amplitude of the light receiving element decreases. When the number of interference fringes approaches zero on the sensor surface, the output amplitude of the light receiving element becomes maximum. If the contrast of the interference fringes is V, then V
Is as follows.

【0102】V=(Imax−Imin)/(Imax+Imin[0102] V = (I max -I min) / (I max + I min)

【0103】ここでImax、Iminは、受光素子出力振幅
の最大、最小である。そこでセンサ領域内の干渉縞の本
数をnSとし受光素子出力の最大最小をVmax、Vmin
すると
Here, I max and I min are the maximum and minimum of the output amplitude of the light receiving element. Then, assuming that the number of interference fringes in the sensor area is n S and the maximum and minimum of the light receiving element output are V max and V min

【0104】[0104]

【外9】 となり、受光センサ出力Xと干渉縞の関係は、最大出力
を1とすると X=sin(πnS)/πn となりn=nRSであるから X=sin(πnRs)/πnRS (16) となる。
[Outside 9] Next, the relation of the interference fringe and the light receiving sensor outputs X, the maximum outputs 1 to the X = sin (πn S) / πn S next n S = nR since it is S X = sin (πnR s) / πnR S (16 ).

【0105】例えば、実施例において格子間距離を1m
mとし、P=1.6μm、λ=0.78μmとすると理
想的な集束位置は、光束を合成する回折格子32B、3
2Cから−1.072657mmの位置である。このと
きのアジマス角θと干渉縞の本数nと上記の理想集束位
置からのズレDZとの関係は、式(15)より図27及
び図28の様になる。ここでセンサの出力減少が20%
以内とすると(16)の条件式より、センサ面上に生じ
る干渉縞の最大本数が規定できる。センサの直径を1m
mとすると許される最大の縞の本数は0.36本とな
り、アジマス角の許容範囲を最大480秒(8分)と規
定すると、それに対応する理想集束位置からのズレDZ
の領域が図28により判明し、図28中に上記の条件に
当てはまる領域を斜線で示した。それによると、 −0.29mm≦DZ≦0.22mm の範囲に集光させるような光学系が構成されると、目的
の安定性が得られる事が解る。
For example, in the embodiment, the inter-grating distance is 1 m.
m, P = 1.6 μm, and λ = 0.78 μm, the ideal focusing position is the diffraction grating 32B, 3
The position is -1.072657 mm from 2C. At this time, the relationship between the azimuth angle θ, the number n of interference fringes, and the deviation D Z from the ideal focusing position is as shown in FIGS. 27 and 28 from the equation (15). Here, the sensor output decreases by 20%
Within this range, the maximum number of interference fringes generated on the sensor surface can be defined by the conditional expression (16). 1m sensor diameter
m, the maximum number of stripes allowed is 0.36, and if the allowable range of the azimuth angle is specified as a maximum of 480 seconds (8 minutes), the deviation D Z from the ideal focusing position corresponding thereto is defined.
In FIG. 28, the area that satisfies the above condition is indicated by oblique lines. According to this, it can be understood that the objective stability can be obtained if an optical system that condenses light in the range of −0.29 mm ≦ D Z ≦ 0.22 mm is obtained.

【0106】このように図16のような構成により、ス
ケールの取付誤差による出力への影響が少なく、取付、
組立易いエンコーダを実現することができる。
Thus, with the configuration as shown in FIG. 16, there is little effect on the output due to the mounting error of the scale.
An encoder that is easy to assemble can be realized.

【0107】また図30に示すようなX軸、Y軸を回転
軸とした、スケール上の回折格子21と光束を分割合成
するための回折格子(32A、32B、32C)との間
の角度ズレを与えて配置しても、2つの球面波同志はそ
の見かけ上の発光点がほぼ同一点になるので干渉2光束
間同志の波面の角度ずれが生じず、干渉信号が安定して
出力される。
Further, the angle shift between the diffraction grating 21 on the scale and the diffraction gratings (32A, 32B, 32C) for dividing and synthesizing the luminous flux with the X axis and the Y axis as rotation axes as shown in FIG. , The apparent emission points of the two spherical waves are substantially the same, so that the wavefront angle between the two interfering light beams does not shift, and the interference signal is stably output. .

【0108】そして32Cと32Bの格子をピッチの1
/4だけずらして格子の配列方向に配置する事により、
センサ4Cとセンサ4Bで出力される信号の位相が90
度ずれ、信号出力として2相信号を得る事が出来る。
Then, the grids of 32C and 32B are set to pitch 1
By arranging in the grid arrangement direction by shifting by / 4,
The phases of the signals output from the sensors 4C and 4B are 90
A two-phase signal can be obtained as a signal shift and a signal output.

【0109】<実施例12>次に第12実施例のエンコ
ーダについて説明する。本実施例では必要な信号光のみ
を受け入れ不要光を遮断するために波長選択フィルタを
使用して、S/Nの良好な検出信号が得られる光学式エ
ンコーダを提供するものである。
<Embodiment 12> Next, an encoder according to a twelfth embodiment will be described. The present embodiment provides an optical encoder that uses a wavelength selection filter to receive only necessary signal light and cut off unnecessary light, thereby obtaining a detection signal with good S / N.

【0110】図31は本実施例の光学式エンコーダの断
面図を示す。同図において、1は波長780nmの赤外
光を射出する半導体レーザ発光素子、4は受光素子、4
0は受光素子4が実装されたガラスエポキシ基板、41
は基板40の中心に設けられた貫通孔で、発光素子1か
らの光を透過させるためのものである。42は半導体レ
ーザユニットのホルダ、43は光学ユニットホルダであ
る。44は本実施例の特徴的部材である光学ユニット
で、赤外領域の光のみを透過する作用を有し、受光素子
4の位置に対応して該光学ユニットの下面には3つの平
凸レンズ31が上面には回折格子が設けられている。4
7は発光素子1から斜め方向に射出される不要光を除去
するための円筒形状の非反射性部材である。20は変位
方向に沿って回折格子が形成された変位スケールであ
る。
FIG. 31 is a sectional view of the optical encoder of this embodiment. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a semiconductor laser light emitting element that emits infrared light having a wavelength of 780 nm;
0 is a glass epoxy board on which the light receiving element 4 is mounted, 41
Is a through hole provided at the center of the substrate 40 for transmitting light from the light emitting element 1. 42 is a holder of the semiconductor laser unit, and 43 is an optical unit holder. Reference numeral 44 denotes an optical unit which is a characteristic member of the present embodiment, and has an operation of transmitting only light in the infrared region, and has three plano-convex lenses 31 on the lower surface of the optical unit corresponding to the position of the light receiving element 4. Is provided with a diffraction grating on the upper surface. 4
Reference numeral 7 denotes a cylindrical non-reflective member for removing unnecessary light emitted from the light emitting element 1 in an oblique direction. Reference numeral 20 denotes a displacement scale on which a diffraction grating is formed along the displacement direction.

【0111】図32は光学ユニット44の断面図であ
る。同図において、401は発光素子1の射出光の波長
帯域(主に赤外光領域)のみ透過性を示しそれ以外の波
長帯域には遮光性を示す光学フィルタである。31は樹
脂により形成された平凸レンズ、32は樹脂により形成
された回折格子で、光学フィルタ401のそれぞれの面
にレプリカ技術を用いて形成する。
FIG. 32 is a sectional view of the optical unit 44. In the figure, reference numeral 401 denotes an optical filter that transmits light only in a wavelength band (mainly an infrared light region) of light emitted from the light emitting element 1 and that blocks light in other wavelength bands. Reference numeral 31 denotes a plano-convex lens formed of resin, and 32 denotes a diffraction grating formed of resin, which is formed on each surface of the optical filter 401 by using a replica technique.

【0112】図33は光学ユニット44の変形例を示
す。これは2枚のガラス基板402にそれぞれレンズ3
1、回折格子32をレプリカ技術により形成したものを
用意し、これらを上記と同一作用を有するフィルタ40
1の両面に貼り合わせることにより光学ユニット44を
形成したものである。
FIG. 33 shows a modification of the optical unit 44. This is because two glass substrates 402 each have a lens 3
1. A diffraction grating 32 formed by a replica technique is prepared, and these are filtered by a filter 40 having the same action as described above.
The optical unit 44 is formed by bonding the optical unit 44 to both surfaces of the optical unit 1.

【0113】図34は光学ユニット44の更なる変形例
を示す。波長帯域により異なる透過率をもつ2つのフィ
ルタ401−1、401−2を貼り合わせ、それぞれの
表面にレンズ31及び回折格子32を形成したものであ
る。
FIG. 34 shows a further modification of the optical unit 44. Two filters 401-1 and 401-2 having different transmittances depending on the wavelength band are attached to each other, and a lens 31 and a diffraction grating 32 are formed on the respective surfaces.

【0114】又、ガラス基板の片面に蒸着によりコール
ドミラー(可視光を反射し赤外光を透過するフィル
タ)、あるいは干渉フィルタ(特定波長のみ透過し他の
波長帯域を反射する単色性の高いフィルタ)を形成して
実質的にフィルタ401の代わりとすることもできる。
A cold mirror (a filter that reflects visible light and transmits infrared light) or an interference filter (a filter having high monochromaticity that transmits only a specific wavelength and reflects other wavelength bands) by vapor deposition on one side of a glass substrate. ) Can be formed to substantially replace the filter 401.

【0115】次に本実施例の装置の製造手順について説
明する。まず予め配線パターンが描かれたガラスエポキ
シ基板40の所定の位置に受光素子4をダイボンディン
グして固定し、次にワイヤボンダ装置により受光素子4
のボンディングパッドとガラスエポキシ基板40の配線
とを金線で接続する。又、リード線やフレキシブル基板
等によりガラスエポキシ基板40の端部から出力信号が
得られるようにする。次にホルダ42に組み込まれた発
光素子1と受光素子4の位置関係が所定の位置関係にな
るように位置決めをした後、ホルダ42とガラスエポキ
シ基板40とを接着により接合して第1のユニットとす
る。又、光学ユニット44にホルダ43を取り付け第2
のユニットとする。ここで第1のユニットに第2のユニ
ットを被せて、位置決めを行った後に接着剤により両者
を固着する。
Next, the manufacturing procedure of the device of this embodiment will be described. First, the light receiving element 4 is fixed at a predetermined position on the glass epoxy substrate 40 on which a wiring pattern is drawn in advance by die bonding, and then the light receiving element 4 is fixed by a wire bonder device.
And the wiring of the glass epoxy substrate 40 are connected with gold wires. Also, an output signal can be obtained from the end of the glass epoxy substrate 40 using a lead wire, a flexible substrate, or the like. Next, after positioning is performed so that the positional relationship between the light emitting element 1 and the light receiving element 4 incorporated in the holder 42 becomes a predetermined positional relationship, the holder 42 and the glass epoxy substrate 40 are bonded to each other by bonding. And Also, the holder 43 is attached to the optical unit 44 and the second
Unit. Here, the first unit is covered with the second unit, and after positioning, both are fixed with an adhesive.

【0116】以上の本実施例によれば、フィルタによっ
て信号光の波長のみを選択することにより受光素子に対
する外光の影響を排除するため、安定して高精度な検出
が可能な光学式エンコーダを提供することができる。
According to the above-described embodiment, since only the wavelength of the signal light is selected by the filter to eliminate the influence of external light on the light receiving element, an optical encoder capable of performing stable and highly accurate detection is provided. Can be provided.

【0117】<実施例13>次に第13実施例のエンコ
ーダについて説明する。以上の実施例では表面に光学機
能素子を形成した透明ガラス板を筐体の窓部に取り付け
ているが、これらの場合、発光素子から斜め方向に射出
した光がこのガラス板の内部で反射を繰り返してノイズ
光として受光素子に達してしまう可能性がある。そこで
本実施例ではガラス板に遮光手段を設けることによって
多重反射によるゴースト光を遮断する遮光作用を持たせ
たことを特徴とする。この遮光手段の具体例としては、
射出光の透過する領域と信号光の透過する領域との間に
溝を形成したり、その溝の内部に遮光用の塗料や金属を
設けたりすればよい。又、光学部品の表面ではなく内部
に遮光領域を形成しても良い。このような遮光領域を設
けることにより反射光は信号光の透過する領域にまで伝
幡することがなくなり、あるいは仮に伝幡してもその光
強度は大幅に低下する。
<Thirteenth Embodiment> Next, an encoder according to a thirteenth embodiment will be described. In the above embodiments, a transparent glass plate having an optical functional element formed on the surface is attached to the window of the housing. In these cases, light emitted obliquely from the light emitting element reflects inside the glass plate. There is a possibility that the light will repeatedly reach the light receiving element as noise light. Therefore, the present embodiment is characterized in that a light shielding means for blocking ghost light due to multiple reflection is provided by providing light shielding means on a glass plate. As a specific example of this light shielding means,
A groove may be formed between the region through which the emitted light transmits and the region through which the signal light transmits, or a light-blocking paint or metal may be provided inside the groove. Further, the light shielding region may be formed inside the optical component instead of the surface. By providing such a light-blocking region, the reflected light does not propagate to the region where the signal light is transmitted, or even if it propagates, the light intensity is greatly reduced.

【0118】図35は本実施例の光学式エンコーダの断
面図であり、先の第12実施例の図31と同一の符号は
同一あるいは同等の部材を表す。45は上記第12実施
例の光学ユニット44と同様の光学ユニットであり、発
光素子からの赤外光のみを選択するフィルタ作用を有す
る。光学ユニット45の回折格子32が形成される面側
には、多重反射光を遮断するための遮光用溝46が形成
されている。遮光用溝46はダイシングソーを用いて形
成される。よって溝の側面は溝形成時の研削面であり光
にとって散乱面となるので、内部反射光はこの溝46の
側面で散乱され信号光領域まで到達できなくなる。
FIG. 35 is a sectional view of the optical encoder of this embodiment. The same reference numerals as those of FIG. 31 of the twelfth embodiment denote the same or similar members. Reference numeral 45 denotes an optical unit similar to the optical unit 44 of the twelfth embodiment, and has a filter function of selecting only infrared light from the light emitting element. On the surface of the optical unit 45 on which the diffraction grating 32 is formed, a light-shielding groove 46 for blocking multiple reflected light is formed. The light shielding groove 46 is formed using a dicing saw. Therefore, the side surface of the groove is a ground surface at the time of forming the groove and becomes a scattering surface for light, so that the internally reflected light is scattered by the side surface of the groove 46 and cannot reach the signal light region.

【0119】なお、図36に示すように光学ユニット4
5のレンズ31が形成される面側に遮光用溝46を形成
するようにしても良い。又、遮光用溝46内部を非反射
性の塗料などの遮光部材で埋めてしまえば、より完全に
内部反射の伝幡を防ぐことができる。
Note that, as shown in FIG.
The light-shielding groove 46 may be formed on the surface on which the fifth lens 31 is formed. If the inside of the light-shielding groove 46 is filled with a light-shielding member such as a non-reflective paint, transmission of internal reflection can be more completely prevented.

【0120】図37は光学ユニット45の更なる変形例
を示し、光学ユニット内部に遮光部46を形成したもの
である。これはガラスあるいは赤外透過フィルタの2枚
の透光性基板を用意して、それぞれの片面に溝を設け、
遮光用樹脂塗料でこの溝を埋めて遮光部46を形成す
る。そしてそれぞれの基板の他方の面にレプリカ技術に
より回折格子、平凸レンズを形成する。次にこの別々に
作製した2枚の基板同士を貼り合わせることにより光学
ユニツト45が作成される。
FIG. 37 shows a further modification of the optical unit 45, in which a light shielding portion 46 is formed inside the optical unit. This is to prepare two translucent substrates of glass or infrared transmitting filter, provide a groove on one side of each,
The grooves are filled with a light-shielding resin paint to form light-shielding portions 46. Then, a diffraction grating and a plano-convex lens are formed on the other surface of each substrate by a replica technique. Next, the optical unit 45 is produced by bonding the two substrates produced separately to each other.

【0121】本実施例によれば、射出光を分離し入射光
を合成する光学ユニットに内部反射光が信号光が透過す
る領域に伝幡しないように遮光領域を設けることによ
り、光学ユニット内部での反射光によるゴースト光を抑
え、変調された信号光を高S/N比でモニタすることが
可能となる。このことは安定した光信号が得られること
を意味し高精度化が達成できる。又、光学ユニットの表
面から内部に遮光領域を形成したことで内部反射光によ
るゴースト光を防ぐため、光学ユニットの大きさや厚み
を増すことなく、従来より小型で使用環境を選ばない汎
用性の高い光学式変位センサを提供することが可能とな
る。
According to the present embodiment, the optical unit for separating outgoing light and combining incident light is provided with a light shielding area so that the internally reflected light does not propagate to the area where the signal light is transmitted. The ghost light due to the reflected light is suppressed, and the modulated signal light can be monitored at a high S / N ratio. This means that a stable optical signal can be obtained, and high precision can be achieved. In addition, since the ghost light due to the internally reflected light is prevented by forming a light shielding area from the surface of the optical unit to the inside, the versatility is small and the use environment is not selected without increasing the size and thickness of the optical unit. It is possible to provide an optical displacement sensor.

【0122】<実施例14>図38は上記エンコーダの
応用例を示した実施例であり、エンコーダを用いた駆動
システムのシステム構成図である。モータやアクチュエ
ータ、エンジン等の駆動源を有する駆動手段100の駆
動出力部、あるいは駆動される物体の移動部にはエンコ
ーダ101が取付けられ、変位量や変位速度等の変位状
態を検出する。このエンコーダとして前述第1〜第13
実施例のいずれかを用いる。このエンコーダ101の検
出出力は制御手段102にフィードバックされ、制御手
段102においては設定手段103で設定された状態と
なるように駆動手段100に駆動信号を伝達する。この
ようなフィードバック系を構成することによって設定手
段103で設定された駆動状態を得ることができる。こ
のような駆動システムは例えばタイプライタ、プリン
タ、コピーマシン、ファクシミリ等の事務機器、又、カ
メラ、ビデオ装置などの映像機器、更には情報記録再生
機器、ロボット、工作機械、製造装置、輸送機械、更に
はこれらに限らず駆動手段を有する装置全般に広く適用
することができる。
<Embodiment 14> FIG. 38 is an embodiment showing an application example of the above encoder, and is a system configuration diagram of a drive system using the encoder. An encoder 101 is attached to a drive output unit of a drive unit 100 having a drive source such as a motor, an actuator, or an engine, or a moving unit of a driven object, and detects a displacement state such as a displacement amount and a displacement speed. As this encoder, the first to thirteenth
Use any of the examples. The detection output of the encoder 101 is fed back to the control means 102, and the control means 102 transmits a drive signal to the drive means 100 so as to be in the state set by the setting means 103. By configuring such a feedback system, the driving state set by the setting unit 103 can be obtained. Such drive systems are, for example, office equipment such as typewriters, printers, copy machines, and facsimile machines, as well as video equipment such as cameras and video equipment, as well as information recording / reproducing equipment, robots, machine tools, manufacturing equipment, transportation equipment, Further, the present invention is not limited to these, and can be widely applied to all devices having a driving unit.

【0123】<実施例15>さて、以上はエンコーダの
例を挙げたが、本発明の光学式変位センサはエンコーダ
には限らずドップラ変位センサにも適用でき、以下これ
について説明する。図39は本実施例のドップラ変位セ
ンサを3方向から見た三面構成図であり、(A)は側面
図、(B)は上面図、(C)は正面図をそれぞれ示す。
<Embodiment 15> Although the example of the encoder has been described above, the optical displacement sensor of the present invention can be applied not only to the encoder but also to a Doppler displacement sensor. This will be described below. FIGS. 39A and 39B are three-side configuration diagrams of the Doppler displacement sensor according to the present embodiment viewed from three directions. FIG. 39A is a side view, FIG. 39B is a top view, and FIG.

【0124】部材1は光を生成する発光素子(半導体レ
ーザ素子)であり、数百μmオーダーのサイズを有す
る。水平に設置された発光素子1から生成放射される光
を、45度よりも大きな角度(例えば55度)を持って
ミラー面が形成されたミラー2によって反射して垂直方
向からずれた方向に指向する。なお、ミラーの代わりに
プリズムを用いることもできる。上記光の指向方向には
透明ガラス板7が、その上にスペーサを介して透明ガラ
ス板8が2枚重ねで設けられている。ガラス板7の内面
にはレプリカレンズ部35が形成され、ガラス板8の内
面には回折格子36が、外面には2つのレプリカ回折格
子部37A、37B、並びにレプリカレンズ部38が形
成されている。この構成により、出射する2光束は集光
点にて交差するようになっている。又、光を受光して光
電変換するため、数百μmオーダーのサイズを有する受
光素子4が設けられている。受光素子の具体例として
は、フォトダイオード、アバランシュ・フォトダイオー
ド、ピンフォトダイオード、CCD、又、これら受光部
をもち出力される光電流を増幅もしくは処理する回路を
もった受光ICなどが挙げられる。
The member 1 is a light-emitting device (semiconductor laser device) for generating light, and has a size on the order of several hundred μm. Light generated and emitted from the horizontally disposed light emitting element 1 is reflected by the mirror 2 having a mirror surface at an angle larger than 45 degrees (for example, 55 degrees) and directed in a direction deviated from the vertical direction. I do. Note that a prism can be used instead of the mirror. A transparent glass plate 7 is provided in the direction in which the light is directed, and two transparent glass plates 8 are provided on the transparent glass plate 7 with a spacer interposed therebetween. A replica lens portion 35 is formed on the inner surface of the glass plate 7, a diffraction grating 36 is formed on the inner surface of the glass plate 8, and two replica diffraction grating portions 37A and 37B and a replica lens portion 38 are formed on the outer surface. . With this configuration, the two emitted light beams intersect at the focal point. Further, a light receiving element 4 having a size on the order of several hundred μm is provided for receiving light and performing photoelectric conversion. Specific examples of the light receiving element include a photodiode, an avalanche photodiode, a pin photodiode, a CCD, and a light receiving IC having a circuit for amplifying or processing a photocurrent output from the light receiving unit.

【0125】発光素子1及び受光素子4はセラミック性
の遮光性筐体5内に封入され、筐体5の上面の窓部に前
記ガラス板7が取り付けられ、内部を気密に封止してい
る。発光素子1及び受光素子4にはそれぞれ電極パター
ンが接続され、電極パターンの端部は筐体5の外部に露
出している。又、筐体内に信号処理回路を内蔵する場合
には露出する電極パターンに回路の出力信号が出力され
る。筐体5は数mmオーダーのサイズであり非常に小型
のセンサユニットが構成されている。
The light-emitting element 1 and the light-receiving element 4 are sealed in a ceramic light-shielding case 5, and the glass plate 7 is attached to a window on the upper surface of the case 5 to hermetically seal the inside. . An electrode pattern is connected to each of the light emitting element 1 and the light receiving element 4, and an end of the electrode pattern is exposed outside the housing 5. When a signal processing circuit is built in the housing, an output signal of the circuit is output to the exposed electrode pattern. The housing 5 has a size on the order of several mm, and constitutes a very small sensor unit.

【0126】該センサユニットからは2本のレーザビー
ムが射出し、該レーザビームの収束交差点22に相対移
動する散乱反射性の被検物体23(微粒子や散乱反射面
など)が位置するような配置関係となっている。
An arrangement in which two laser beams are emitted from the sensor unit and a scattered / reflective object 23 (such as fine particles or a scattered / reflective surface) relatively moving to the converging intersection 22 of the laser beams is located. Relationship.

【0127】発光素子1から射出した発散光束はミラー
2で進路を折り曲げられた後、ガラス板7の裏面に形成
されたレンズ35によって、集光光束R(又は平行光
束)に変換され、ガラス板8の裏面に形成された回折格
子36によって透過回折され、回折によって角度θA
け曲げられる+1次回折光、−1次回折光、及び直進す
る微量の0次回折光に分割される。なお回折格子36を
透過した0次回折光(直進光束)R0 は検出信号に寄与
しないので、必要とする±1次回折光が多く射出され、
0次光が微弱になるように回折格子32Aの断面形状を
適切に設計することが好ましい。
The divergent light beam emitted from the light emitting element 1 is bent by the mirror 2 and then converted by the lens 35 formed on the back surface of the glass plate 7 into a condensed light beam R (or parallel light beam). is transmitted diffracted by the diffraction grating 36 formed on the rear surface of the 8, + 1st-order diffracted light is bent by an angle theta a by the diffraction, -1 is split order diffracted light, and the 0-order diffracted light traces of straight. Since the 0th-order diffracted light (straight light flux) R 0 transmitted through the diffraction grating 36 does not contribute to the detection signal, much required ± 1st-order diffracted light is emitted,
It is preferable to appropriately design the sectional shape of the diffraction grating 32A so that the zero-order light becomes weak.

【0128】回折格子36で±1次回折した光束R-1
+1は、回折格子37A、37Bにて進路を曲げられ
て、被検物体23付近の目標点22に入射角θB 、θC
にて集光される。これらの量的関係式は以下の様にな
る。
The light flux R −1 diffracted by the diffraction grating 36 at ± 1 order,
R +1 is bent by the diffraction gratings 37A and 37B, and is incident on the target point 22 near the test object 23 at the incident angles θ B and θ C.
The light is collected at. These quantitative relations are as follows.

【0129】 +1次回折光束R+1: sinθA=+λ/PA sinθB=−λ/PB+sinθA −1次回折光束R-1: sinθA=−λ/PA sinθC=+λ/PC+sinθAC=PB [0129] + 1-order diffracted light beam R +1: sinθ A = + λ / P A sinθ B = -λ / P B + sinθ A -1 -order diffracted light beam R -1: sinθ A = -λ / P A sinθ C = + λ / P C + sin θ A P C = P B

【0130】これらは以下の様になる。These are as follows.

【0131】sinθB=+λ/(PA−PB) sinθC=−sinθB ここで、PA は回折格子36のピッチ、PB は回折格子
37Aのピッチ、PC は回折格子37Cのピッチ、λは
光束の波長である(PA >PB ,PA >PC)。
Sin θ B = + λ / (P A −P B ) sin θ C = −sin θ B where PA is the pitch of the diffraction grating 36, P B is the pitch of the diffraction grating 37 A , and PC is the pitch of the diffraction grating 37 C. , Λ is the wavelength of the light beam (P A > P B , P A > P C ).

【0132】このとき、目標点22付近で2光束が交差
するので空間に干渉縞が生じる。その干渉縞のピッチP
0 は以下の様になる。
At this time, since the two light beams intersect near the target point 22, interference fringes occur in space. The pitch P of the interference fringes
0 is as follows.

【0133】 P0 =λ/(sinθB+sinθC) =λ/{λ/(PA−PB)+λ/(PA−PC)} =(PA−PB)+(PA−PC) =(PA−PB)/2[0133] P 0 = λ / (sinθ B + sinθ C) = λ / {λ / (P A -P B) + λ / (P A -P C)} = (P A -P B) + (P A - P C) = (P A -P B) / 2

【0134】この空間に、干渉縞を横切る方向に速度v
にて被検物体である微粒子が移動すると、空間の明暗に
応じて散乱光の明暗が起こり、その周波数fは、 f=v/P0 =2・v(PA−PB) となり、λは無関係になる。
In this space, the velocity v in the direction crossing the interference fringes
When microparticles are inspected object is moved by, occur brightness of scattered light in accordance with the brightness of the space, the frequency f, f = v / P 0 = 2 · v (P A -P B) becomes, lambda Becomes irrelevant.

【0135】このドップラ信号(明暗信号)成分は、レ
ンズ38によって受光素子4上に集光され、この後はア
ンプ、フィルタ、2値化回路等の公知の信号処理回路に
よって移動速度vに比例した周波数のパルス信号を出力
するようにすれば被検物体の移動速度を検出することが
できる。これらの信号処理回路の一部又は全てをセンサ
ユニット内に内蔵させれば、集積化が更に高まり一層好
ましいものとなる。なお、被検物体に照射する光束の集
光状態は、被検物体の散乱粒子、散乱面の状態に応じて
平行光等に変更することができる。
The Doppler signal (light / dark signal) component is condensed on the light receiving element 4 by the lens 38, and thereafter, is proportional to the moving speed v by a known signal processing circuit such as an amplifier, a filter, and a binarization circuit. If a pulse signal of a frequency is output, the moving speed of the test object can be detected. If a part or all of these signal processing circuits are incorporated in the sensor unit, the integration will be further enhanced, which is more preferable. Note that the focusing state of the light beam irradiated on the test object can be changed to parallel light or the like according to the state of the scattering particles and the scattering surface of the test object.

【0136】本実施例も先の実施例と同様に干渉光学系
がガラス板の両面にレンズや回折格子をレプリカ製法等
で形成した光学素子を積層した構成なので、非常に簡単
で小型で低コスト、且つ高精度で安定した速度検出が可
能なレーザドップラ変位センサが実現されるが、更に以
下のような大きな特徴を有する。
In this embodiment, as in the previous embodiment, the interference optical system has a structure in which an optical element in which lenses and diffraction gratings are formed on both sides of a glass plate by a replica manufacturing method or the like is very simple, small, and low in cost. In addition, a laser Doppler displacement sensor capable of detecting a speed with high accuracy and stability can be realized, and further has the following significant features.

【0137】2組の回折格子(36、37A又は37
B)を使用して光束の分離角度θA、入射角度θBを設定
しているので、光源の波長λが変動して被検物体への入
射角θBが変動してもドップラ周波数fには影響がな
く、波長変動が不可避の半導体レーザを温度コントロー
ル等の温度補償機能なしに使用することができる。又、
より一層安定性の高いセンサが必要であればこれらの温
度補償機能を付加すれば良い。検出信号が温度変動に影
響を受けず、センサユニットが1チップの部品化された
ことと合わせて考えると、温度変動や振動等の悪環境に
対する耐環境性が非常に高いものとなる。
Two sets of diffraction gratings (36, 37A or 37)
Since the separation angle θ A and the incident angle θ B of the light beam are set using B), even if the wavelength λ of the light source fluctuates and the incident angle θ B to the test object fluctuates, the Doppler frequency f Can be used without a temperature compensation function such as temperature control, which has no influence and wavelength fluctuation is inevitable. or,
If a more stable sensor is required, these temperature compensation functions may be added. Considering that the detection signal is not affected by the temperature fluctuation and that the sensor unit is formed as a one-chip component, the environment resistance against a bad environment such as temperature fluctuation and vibration becomes very high.

【0138】被検物体からの散乱光を広く拾うには大
きなNAの集光レンズが必要であるので、実施例のよう
に被検物体への投光光束の光路を傾けて更にNAを小さ
くして、微小な回折格子36、37A、33B、レンズ
35を使用して、被検物体に照射して、そこからの散乱
光を拾うための復路の光路をずらして大きなNAのレン
ズで集光すれば、良質のドップラ信号が得られると同時
に、往復の光路が簡単に分離出来るので、ドップラ信号
を得るためにわざわざハーフミラー等の光路をずらすた
めの光学系を設けなくても、光源からずれた位置に配置
された受光素子4にて受光することができ、光学系の構
成部品が少なくて済む。
Since a condenser lens with a large NA is required to widely pick up the scattered light from the test object, the optical path of the light beam projected onto the test object is inclined as in the embodiment to further reduce the NA. Then, by irradiating the test object using the minute diffraction gratings 36, 37A, 33B and the lens 35, the optical path of the return path for picking up the scattered light from the object is shifted and condensed by the lens having a large NA. If a high-quality Doppler signal can be obtained, the optical path for reciprocation can be easily separated at the same time. Therefore, even if an optical system for displacing the optical path such as a half mirror is not provided to obtain the Doppler signal, the optical path deviates from the light source. Light can be received by the light receiving element 4 disposed at the position, and the number of components of the optical system can be reduced.

【0139】往復の光路が分離しているので、複数の
ガラス板光学素子の各面での反射戻り光があっても受光
素子に入射して問題を起こすことがない。
Since the reciprocating optical paths are separated, even if there is reflected light returning from each surface of the plurality of glass plate optical elements, it does not enter the light receiving element and cause a problem.

【0140】往復の光路が分離しているので、短焦点
距離の小径マイクロレンズを形成することにより、発光
素子−レンズ間の距離を小さく出来て、小型化、薄型化
に有利である。
Since the reciprocating optical path is separated, the distance between the light emitting element and the lens can be reduced by forming a small-diameter microlens having a short focal length, which is advantageous for miniaturization and thinning.

【0141】発光素子からの光束を反射素子で光路を
折り曲げる構成をとっているので、ガラス板と発光素子
を接近させてもレンズ〜発光素子間を所望の焦点距離だ
け離す構成が可能で薄型化に有利である。
Since the light path from the light-emitting element is bent by the reflection element, the structure in which the lens and the light-emitting element are separated by a desired focal length even when the glass plate and the light-emitting element are brought close together is possible, and the thickness is reduced. Is advantageous.

【0142】回折格子36のピッチを細かくすれば、
回折による分離角θAが大きくなり回折格子37A、3
7Bまでの距離が小さくても(すなわちガラス板8が薄
型であっても)回折光が空間的に十分分離できるので、
十分なワーキングディスタンスが得られ、扱いやすいド
ップラ速度計が設計しやすい。つまり小型化・薄型化し
ても扱いやすい様に設計できる。その条件下で回折格子
37A、37Bのピッチを更に細かくすれば、被検物体
への入射角θBが大きくなりドップラシフトが大きく取
れるので、高感度、高分解能なドップラ変位センサが実
現できる。つまり高感度・高分解能化、小型・薄型化、
扱いやすさの全てが満足される。
By making the pitch of the diffraction grating 36 fine,
Diffraction grating 37A separation angle theta A due to diffraction becomes large, 3
Even if the distance to 7B is small (that is, even if the glass plate 8 is thin), the diffracted light can be sufficiently separated spatially.
Sufficient working distance is obtained, and an easy-to-handle Doppler velocimeter is easy to design. That is, it can be designed to be easy to handle even if it is made smaller and thinner. Diffraction grating 37A at the conditions, and more precisely the pitch of 37B, the incident angle theta B increases and the Doppler shift to the inspected object is made large, high sensitivity, high resolution Doppler displacement sensor can be realized. In other words, high sensitivity and high resolution, miniaturization and thinning,
All of the ease of handling is satisfied.

【0143】<実施例16>次に本発明の第16実施例
のドップラ変位センサを図40を用いて説明する。実施
例で使用するミリオーダーの微小部品は位置ずれが数十
μmオーダーであっても光路が大きくずれて検出精度の
劣化が大きくなるので極めて高い組立精度が要求され
る。そこで本実施例では調整機構を設けることによって
光学系の調整を容易にしたものである。ドップラ変位セ
ンサの検出原理自体は上記実施例と同様である。
Embodiment 16 Next, a Doppler displacement sensor according to a sixteenth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The micro parts of the millimeter order used in the embodiment require a very high assembling accuracy because the optical path is largely shifted and the detection accuracy is greatly deteriorated even if the displacement is on the order of tens of μm. Therefore, in this embodiment, the adjustment of the optical system is facilitated by providing an adjusting mechanism. The detection principle of the Doppler displacement sensor itself is the same as in the above embodiment.

【0144】図40において、発光素子1、ミラー2な
どの光学部材が内蔵される筐体5の周囲には固定枠12
が配置され、該固定枠12の上面には上記実施例と同様
の光学機能素子が形成されたガラス板7が取り付けられ
る。更に固定枠12の周囲には固定枠15が配置され、
該固定枠15の上面には上記実施例と同様の光学機能素
子が形成されたガラス板8が取り付けられる。筐体5と
固定枠12と固定枠15のそれぞれの相対位置関係を調
整することで、筐体5内に固定される光学部材とガラス
板7、8の表面に形成されるレンズや回折格子等の光学
機能素子との位置合わせが行なうことができる。調整後
は固定枠12、15のそれぞれの四方に設けられたネジ
機構13、14で固定され、又、隙間を接着剤で充填す
ることによって安定度を高めている。このように本実施
例ではドップラ変位センサの構成要素を3つにユニット
化して、ユニット同士の相対調整を行う構成にしたた
め、組立時の調整が容易で高精度なドップラ変位センサ
となる。
In FIG. 40, a fixed frame 12 is provided around a housing 5 in which optical members such as a light emitting element 1 and a mirror 2 are incorporated.
Is disposed, and a glass plate 7 on which an optical functional element similar to that of the above embodiment is formed is attached to the upper surface of the fixed frame 12. Further, a fixed frame 15 is arranged around the fixed frame 12,
On the upper surface of the fixed frame 15, a glass plate 8 on which an optical functional element similar to that of the above embodiment is formed is attached. By adjusting the relative positional relationship between the housing 5, the fixed frame 12 and the fixed frame 15, an optical member fixed in the housing 5 and lenses, diffraction gratings, and the like formed on the surfaces of the glass plates 7 and 8. Can be aligned with the optical function element. After the adjustment, it is fixed by screw mechanisms 13 and 14 provided on the four sides of the fixed frames 12 and 15, and the gap is filled with an adhesive to increase the stability. As described above, in this embodiment, the components of the Doppler displacement sensor are unitized into three units, and the relative adjustment between the units is performed. Therefore, the Doppler displacement sensor can be easily adjusted during assembly and has high accuracy.

【0145】<実施例17>図41は第17実施例のド
ップラ変位センサを3方向から見た三面構成図であり、
(A)は側面図、(B)は上面図、(C)は正面図をそ
れぞれ示す。
<Embodiment 17> FIG. 41 is a three-view configuration diagram of the Doppler displacement sensor of the seventeenth embodiment viewed from three directions.
(A) is a side view, (B) is a top view, and (C) is a front view.

【0146】部材1は光を生成する発光素子(半導体レ
ーザ素子)であり、数百μmオーダーのサイズを有す
る。水平に設置された発光素子1から生成放射される光
を、45度よりも大きな角度(例えば55度)を持って
ミラー面が形成されたミラー2によって反射して垂直方
向からずれた方向に指向する。なお、ミラーの代わりに
プリズムを用いることもできる。上記光の指向方向には
透明ガラス板7が、その上にスペーサを介して透明ガラ
ス板8が2枚重ねで設けられている。本実施例では第1
5実施例とは異なり、ガラス板7の内面にはレプリカレ
ンズ部35が形成されるとともに、外面には回折格子3
6が、またガラス板8の外面には2つのレプリカ回折格
子37A、37B、並びにレプリカレンズ部38が形成
されている。この構成により、出射する2光束は集光点
にて交差するようになっている。又、光を受光して光電
変換するため、数百μmオーダーのサイズを有する受光
素子4が設けられている。受光素子の具体例としては、
フォトダイオード、アバランシュ・フォトダイオード、
ピンフォトダイオード、CCD、又、これら受光部をも
ち出力される光電流を増幅もしくは処理する回路をもっ
た受光ICなどが挙げられる。
The member 1 is a light emitting element (semiconductor laser element) for generating light, and has a size on the order of several hundreds of μm. Light generated and emitted from the horizontally disposed light emitting element 1 is reflected by the mirror 2 having a mirror surface at an angle larger than 45 degrees (for example, 55 degrees) and directed in a direction deviated from the vertical direction. I do. Note that a prism can be used instead of the mirror. A transparent glass plate 7 is provided in the direction in which the light is directed, and two transparent glass plates 8 are provided on the transparent glass plate 7 with a spacer interposed therebetween. In this embodiment, the first
Unlike the fifth embodiment, a replica lens portion 35 is formed on the inner surface of the glass plate 7 and the diffraction grating 3 is formed on the outer surface.
6 and two replica diffraction gratings 37A and 37B and a replica lens portion 38 are formed on the outer surface of the glass plate 8. With this configuration, the two emitted light beams intersect at the focal point. Further, a light receiving element 4 having a size on the order of several hundred μm is provided for receiving light and performing photoelectric conversion. As a specific example of the light receiving element,
Photodiodes, avalanche photodiodes,
Examples include a pin photodiode, a CCD, and a light receiving IC having a circuit for amplifying or processing a photocurrent output from the light receiving unit.

【0147】発光素子1及び受光素子4はセラミック性
の遮光性筐体5内に封入され、筐体5の上面の窓部に前
記ガラス板7が取り付けられ、内部を気密に封止してい
る。発光素子1及び受光素子4にはそれぞれ電極パター
ンが接続され、電極パターンの端部は筐体5の外部に露
出している。又、筐体内に信号処理回路を内蔵する場合
には露出する電極パターンに回路の出力信号が出力され
る。筐体5は数mmオーダーのサイズであり非常に小型
のセンサユニットが構成されている。
The light-emitting element 1 and the light-receiving element 4 are sealed in a ceramic light-shielding housing 5, and the glass plate 7 is attached to a window on the upper surface of the housing 5 to hermetically seal the inside. . An electrode pattern is connected to each of the light emitting element 1 and the light receiving element 4, and an end of the electrode pattern is exposed outside the housing 5. When a signal processing circuit is built in the housing, an output signal of the circuit is output to the exposed electrode pattern. The housing 5 has a size on the order of several mm, and constitutes a very small sensor unit.

【0148】該センサユニットからは2本のレーザビー
ムが射出し、該レーザビームの収束交差点22に相対移
動する散乱反射性の被検物体23(微粒子や散乱反射面
など)が位置するような配置関係となっている。
An arrangement is made such that two laser beams are emitted from the sensor unit, and a scattered / reflective object 23 (such as fine particles or a scattered / reflective surface) relatively moving to the converging intersection 22 of the laser beams is located. Relationship.

【0149】発光素子1から射出した発散光束はミラー
2で進路を折り曲げられた後、ガラス板7の裏面に形成
されたレンズ35によって、集光光束R(又は平行光
束)に変換され、ガラス板8の裏面に形成された回折格
子36によって透過回折され、回折によって角度θA
け曲げられる+1次回折光、−1次回折光、及び直進す
る微量の0次回折光に分割される。なお回折格子36を
透過した0次回折光(直進光束)R0は検出信号に寄与
しないので、必要とする±1次回折光が多く射出され、
0次光が微弱になるように回折格子32Aの断面形状を
適切に設計することが好ましい。
The divergent light beam emitted from the light emitting element 1 is bent by the mirror 2 and then converted into a condensed light beam R (or a parallel light beam) by a lens 35 formed on the back surface of the glass plate 7. is transmitted diffracted by the diffraction grating 36 formed on the rear surface of the 8, + 1st-order diffracted light is bent by an angle theta a by the diffraction, -1 is split order diffracted light, and the 0-order diffracted light traces of straight. Since the 0th-order diffracted light (straight light flux) R 0 transmitted through the diffraction grating 36 does not contribute to the detection signal, much required ± 1st-order diffracted light is emitted,
It is preferable to appropriately design the sectional shape of the diffraction grating 32A so that the zero-order light becomes weak.

【0150】回折格子36で±1次回折した光束R-1
+1は、回折格子37A、37Bにて進路を曲げられ
て、被検物体23付近の目標点22に入射角θB、θC
て集光される。これらの量的関係式は以下の様になる。
The light flux R −1 diffracted by the diffraction grating 36 at the ± 1st order,
The path of R + 1 is bent by the diffraction gratings 37A and 37B, and is converged on the target point 22 near the test object 23 at the incident angles θ B and θ C. These quantitative relations are as follows.

【0151】 +1次回折光束R+1: sinθA=+λ/PA sinθB=−λ/PB+sinθA −1次回折光束R-1: sinθA=−λ/PA sinθC=+λ/PC+sinθAC=PB [0151] + 1-order diffracted light beam R +1: sinθ A = + λ / P A sinθ B = -λ / P B + sinθ A -1 -order diffracted light beam R -1: sinθ A = -λ / P A sinθ C = + λ / P C + sin θ A P C = P B

【0152】これらは以下の様になる。These are as follows.

【0153】sinθB=+λ/(PA−PB) sinθC=−sinθB ここで、PAは回折格子36のピッチ、PBは回折格子3
7Aのピッチ、PCは回折格子37Cのピッチ、λは光
束の波長である(PA>PB,PA>PC)。
[0153] sinθ B = + λ / (P A -P B) sinθ C = -sinθ B where, P A is the pitch of the diffraction grating 36, P B is the diffraction grating 3
7A pitch, the P C pitch of the diffraction grating 37C, lambda is the wavelength of the light beam (P A> P B, P A> P C).

【0154】このとき、目標点22付近で2光束が交差
するので空間に干渉縞が生じる。その干渉縞のピッチP
0は以下の様になる。
At this time, since the two light beams intersect in the vicinity of the target point 22, interference fringes occur in space. The pitch P of the interference fringes
0 is as follows.

【0155】 P0=λ/(sinθB+sinθC) =λ/{λ/(PA−PB)+λ/(PA−PC)} =(PA−PB)+(PA−PC) =(PA−PB)/2[0155] P 0 = λ / (sinθ B + sinθ C) = λ / {λ / (P A -P B) + λ / (P A -P C)} = (P A -P B) + (P A - P C) = (P A -P B) / 2

【0156】この空間に、干渉縞を横切る方向に速度v
にて被検物体である微粒子が移動すると、空間の明暗に
応じて散乱光の明暗が起こり、その周波数fは、 f=v/P0 =2・v(PA−PB) となり、λは無関係になる。
In this space, the velocity v in the direction crossing the interference fringes
When microparticles are inspected object is moved by, occur brightness of scattered light in accordance with the brightness of the space, the frequency f, f = v / P 0 = 2 · v (P A -P B) becomes, lambda Becomes irrelevant.

【0157】このドップラ信号(明暗信号)成分は、レ
ンズ38によって受光素子4上に集光され、この後はア
ンプ、フィルタ、2値化回路等の公知の信号処理回路に
よって移動速度vに比例した周波数のパルス信号を出力
するようにすれば被検物体の移動速度を検出することが
できる。これらの信号処理回路の一部又は全てをセンサ
ユニット内に内蔵させれば、集積化が更に高まり一層好
ましいものとなる。なお、被検物体に照射する光束の集
光状態は、被検物体の散乱粒子、散乱面の状態に応じて
平行光等に変更することができる。
This Doppler signal (bright and dark signal) component is condensed on the light receiving element 4 by the lens 38, and thereafter, is proportional to the moving speed v by a known signal processing circuit such as an amplifier, a filter, and a binarization circuit. If a pulse signal of a frequency is output, the moving speed of the test object can be detected. If a part or all of these signal processing circuits are incorporated in the sensor unit, the integration will be further enhanced, which is more preferable. Note that the focusing state of the light beam irradiated on the test object can be changed to parallel light or the like according to the state of the scattering particles and the scattering surface of the test object.

【0158】本実施例も先の実施例と同様に干渉光学系
がガラス板の両面にレンズや回折格子をレプリカ製法等
で形成した光学素子を積層した構成なので、非常に簡単
で小型で低コスト、且つ高精度で安定した速度検出が可
能なレーザドップラ変位センサが実現されるが、更に以
下のような大きな特徴を有する。
In this embodiment, as in the previous embodiment, the interference optical system has a structure in which an optical element in which lenses and diffraction gratings are formed on both surfaces of a glass plate by a replica manufacturing method or the like is very simple, small, and low in cost. In addition, a laser Doppler displacement sensor capable of detecting a speed with high accuracy and stability can be realized, and further has the following significant features.

【0159】2組の回折格子(36、37A又は37
B)を使用して光束の分離角度θA、入射角度θBを設定
しているので、光源の波長λが変動して被検物体への入
射角θBが変動してもドップラ周波数fには影響がな
く、波長変動が不可避の半導体レーザを温度コントロー
ル等の温度補償機能なしに使用することができる。又、
より一層安定性の高いセンサが必要であればこれらの温
度補償機能を付加すれば良い。検出信号が温度変動に影
響を受けず、センサユニットが1チップの部品化された
ことと合わせて考えると、温度変動や振動等の悪環境に
対する耐環境性が非常に高いものとなる。
Two sets of diffraction gratings (36, 37A or 37)
Since the separation angle θ A and the incident angle θ B of the light beam are set using B), even if the wavelength λ of the light source fluctuates and the incident angle θ B to the test object fluctuates, the Doppler frequency f Can be used without a temperature compensation function such as temperature control, which has no influence and wavelength fluctuation is inevitable. or,
If a more stable sensor is required, these temperature compensation functions may be added. Considering that the detection signal is not affected by the temperature fluctuation and that the sensor unit is formed as a one-chip component, the environment resistance against a bad environment such as temperature fluctuation and vibration becomes very high.

【0160】被検物体からの散乱光を広く拾うには大
きなNAの集光レンズが必要であるので、実施例のよう
に被検物体への集光光束の光路を傾けて更にNAを小さ
くして、微小な回折格子36、37A、33B、レンズ
35を使用して、被検物体に照射して、そこからの散乱
光を拾うための復路の光路をずらして大きなNAのレン
ズで集光すれば、良質のドップラ信号が得られると同時
に、往復の光路が簡単に分離出来るので、ドップラ信号
を得るためにわざわざハーフミラー等の光路をずらすた
めの光学系を設けなくても、光源からずれた位置に配置
された受光素子4にて受光することができ、光学系の構
成部品が少なくて済む。
Since a large NA condenser lens is required to widely pick up the scattered light from the test object, the optical path of the condensed light beam to the test object is inclined as in the embodiment to further reduce the NA. Then, by irradiating the test object using the minute diffraction gratings 36, 37A, 33B and the lens 35, the optical path of the return path for picking up the scattered light from the object is shifted and condensed by the lens having a large NA. If a high-quality Doppler signal can be obtained, the optical path for reciprocation can be easily separated at the same time. Therefore, even if an optical system for displacing the optical path such as a half mirror is not provided to obtain the Doppler signal, the optical path deviates from the light source. Light can be received by the light receiving element 4 disposed at the position, and the number of components of the optical system can be reduced.

【0161】往復の光路が分離しているので、複数の
ガラス板光学素子の各面での反射戻り光があっても受光
素子に入射して問題を起こすことがない。
Since the reciprocating optical paths are separated, even if there is light reflected and returned on each surface of the plurality of glass plate optical elements, it does not enter the light receiving element and cause a problem.

【0162】往復の光路が分離しているので、短焦点
距離の小径マイクロレンズを形成することにより、発光
素子−レンズ間の距離を小さく出来て、小型化、薄型化
に有利である。
Since the reciprocating optical path is separated, the distance between the light emitting element and the lens can be reduced by forming a small-diameter microlens having a short focal length, which is advantageous for miniaturization and thinning.

【0163】発光素子からの光束を反射素子で光路を
折り曲げる構成をとっているので、ガラス板と発光素子
を接近させてもレンズ〜発光素子間を所望の焦点距離だ
け離す構成が可能で薄型化に有利である。
Since the light path from the light-emitting element is bent by the reflection element, the light path can be bent. Therefore, even if the glass plate and the light-emitting element are brought close to each other, the lens can be separated from the light-emitting element by a desired focal length. Is advantageous.

【0164】回折格子36のピッチを細かくすれば、
回折による分離角θAが大きくなり回折格子37A、3
7Bまでの距離が小さくても(すなわちガラス板8が薄
型であっても)回折光が空間的に十分分離できるので、
十分なワーキングディスタンスが得られ、扱いやすいド
ップラ速度計が設計しやすい。つまり小型化・薄型化し
ても扱いやすい様に設計できる。その条件下で回折格子
37A、37Bのピッチを更に細かくすれば、被検物体
への入射角θBが大きくなりドップラシフトが大きく取
れるので、高感度、高分解能なドップラ変位センサが実
現できる。つまり高感度・高分解能化、小型・薄型化、
扱いやすさの全てが満足される。
When the pitch of the diffraction grating 36 is reduced,
Diffraction grating 37A separation angle theta A due to diffraction becomes large, 3
Even if the distance to 7B is small (that is, even if the glass plate 8 is thin), the diffracted light can be sufficiently separated spatially.
Sufficient working distance is obtained, and an easy-to-handle Doppler velocimeter is easy to design. That is, it can be designed to be easy to handle even if it is made smaller and thinner. Diffraction grating 37A at the conditions, and more precisely the pitch of 37B, the incident angle theta B increases and the Doppler shift to the inspected object is made large, high sensitivity, high resolution Doppler displacement sensor can be realized. In other words, high sensitivity and high resolution, miniaturization and thinning,
All of the ease of handling is satisfied.

【0165】<実施例18>次に本発明の第18実施例
のドップラ変位センサを図42を用いて説明する。実施
例で使用するミリオーダーの微小部品は位置ずれが数十
μmオーダーであっても光路が大きくずれて検出精度の
劣化が大きくなるので極めて高い組立精度が要求され
る。そこで本実施例では図40の実施例同様、調整機構
を設けることによって光学系の調整を容易にしたもので
ある。ドップラ変位センサの検出原理自体は上記実施例
と同様である。
<Embodiment 18> Next, a Doppler displacement sensor according to an eighteenth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The micro parts of the millimeter order used in the embodiment require a very high assembling accuracy because the optical path is largely shifted and the detection accuracy is greatly deteriorated even if the displacement is on the order of tens of μm. Therefore, in this embodiment, similarly to the embodiment of FIG. 40, the adjustment of the optical system is facilitated by providing an adjusting mechanism. The detection principle of the Doppler displacement sensor itself is the same as in the above embodiment.

【0166】図42において、発光素子1、ミラー2な
どの光学部材が内蔵される筐体5の周囲には固定枠12
が配置され、該固定枠12の上面には上記第17実施例
と同様の光学機能素子が形成されたガラス板7が取り付
けられる。更に固定枠12の周囲には固定枠15が配置
され、該固定枠15の上面には上記第17実施例と同様
の光学機能素子が形成されたガラス板8が取り付けられ
る。筐体5と固定枠12と固定枠15のそれぞれの相対
位置関係を調整することで、筐体5内に固定される光学
部材とガラス板7、8の表面に形成されるレンズや回折
格子等の光学機能素子との位置合わせが行なうことがで
きる。調整後は固定枠12、15のそれぞれの四方に設
けられたネジ機構13、14で固定され、又、隙間を接
着剤で充填することによって安定度を高めている。この
ように本実施例ではドップラ変位センサの構成要素を3
つにユニット化して、ユニット同士の相対調整を行う構
成にしたため、組立時の調整が容易で高精度なドップラ
変位センサとなる。
In FIG. 42, a fixed frame 12 is provided around a housing 5 in which optical members such as a light emitting element 1 and a mirror 2 are built.
And a glass plate 7 on which an optical function element similar to that of the seventeenth embodiment is formed is attached to the upper surface of the fixed frame 12. Further, a fixed frame 15 is arranged around the fixed frame 12, and a glass plate 8 on which the same optical functional element as that of the above-described seventeenth embodiment is formed is mounted on the upper surface of the fixed frame 15. By adjusting the relative positional relationship between the housing 5, the fixed frame 12 and the fixed frame 15, an optical member fixed in the housing 5 and lenses, diffraction gratings, and the like formed on the surfaces of the glass plates 7 and 8. Can be aligned with the optical function element. After the adjustment, it is fixed by screw mechanisms 13 and 14 provided on the four sides of the fixed frames 12 and 15, and the gap is filled with an adhesive to increase the stability. Thus, in the present embodiment, the components of the Doppler displacement sensor are 3
Since the configuration is made into a single unit and the relative adjustment between the units is performed, the Doppler displacement sensor can be easily adjusted at the time of assembly and has high accuracy.

【0167】<実施例19>図43は上記ドップラ変位
センサの応用例を示した実施例であり、主に画像記録装
置や画像読取装置に使用される駆動システムのシステム
構成図である。駆動モータや回転ローラを含む駆動機構
を有する駆動手段112によって記録シート等の変位物
体110を移動させる。この変位物体110の移動速度
や移動量は上記説明した実施例15〜18のうちのいず
れかの変位センサ111によって非接触で検出される。
そしてこの変位センサの検出出力は制御手段113にフ
ィードバックされ、制御手段113においては設定手段
114で設定された状態となるように駆動手段112に
駆動信号を伝達する。このようなフィードバック系を構
成することによって、設定手段114で設定された通り
に変位物体110を移動させることができる。このよう
な駆動システムは例えばタイプライタ、プリンタ、コピ
ーマシン、ファクシミリ等の事務機器、又、カメラ、ビ
デオ装置などの映像機器、更には情報記録再生機器、ロ
ボット、工作機械、製造装置、輸送機械、更にはこれら
に限らず駆動手段を有する装置全般に広く適用すること
ができる。
<Embodiment 19> FIG. 43 is an embodiment showing an application example of the above-mentioned Doppler displacement sensor, and is a system configuration diagram of a drive system mainly used in an image recording apparatus and an image reading apparatus. A displacement object 110 such as a recording sheet is moved by a driving unit 112 having a driving mechanism including a driving motor and a rotating roller. The moving speed and the moving amount of the displacement object 110 are detected in a non-contact manner by the displacement sensor 111 of any one of the above-described embodiments 15 to 18.
The detection output of the displacement sensor is fed back to the control means 113, and the control means 113 transmits a drive signal to the drive means 112 so as to be in the state set by the setting means 114. By configuring such a feedback system, the displacement object 110 can be moved as set by the setting unit 114. Such drive systems are, for example, office equipment such as typewriters, printers, copy machines, and facsimile machines, as well as video equipment such as cameras and video equipment, as well as information recording / reproducing equipment, robots, machine tools, manufacturing equipment, transportation equipment, Further, the present invention is not limited to these, and can be widely applied to all devices having a driving unit.

【0168】<変形例>以上、エンコーダ及びドプッラ
変位センサの実施例を説明してきたが、本発明は以上の
実施例の形態には限らず、本発明の技術思想の範囲内で
種々の変形が可能である。
<Modifications> Although the embodiments of the encoder and the Doppler displacement sensor have been described above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications may be made within the technical idea of the present invention. It is possible.

【0169】例えば、上記実施例では半導体チップやC
CD受光素子等のパッケージとして一般に使用されてい
る遮光性のセラミックパッケージを筐体として用いた
が、これに限らず金属缶パッケージを使用することもで
きる。又、ガラス板の代わりに透明樹脂を用いても良
い。
For example, in the above embodiment, the semiconductor chip or C
Although a light-shielding ceramic package generally used as a package for a CD light receiving element or the like is used as the housing, a metal can package may be used without being limited to this. Further, a transparent resin may be used instead of the glass plate.

【0170】又、実施例に使用したレプリカレンズの代
わりにフレネルレンズやゾーンプレート等、同等の光学
作用を有するものを使用しても良い。
In place of the replica lens used in the embodiments, a lens having the same optical function as a Fresnel lens or a zone plate may be used.

【0171】[0171]

【発明の効果】本発明によれば、小型化と高精度化・高
分解能化を非常に高いレベルで両立させ、更には耐環境
性が高い光学式センサを提供することができる。
According to the present invention, it is possible to provide an optical sensor which achieves both miniaturization, high precision and high resolution at a very high level, and which has high environmental resistance.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1の実施例のエンコーダの構成図で
ある。
FIG. 1 is a configuration diagram of an encoder according to a first embodiment of the present invention.

【図2】第1実施例の主要部の構成を示す斜視図であ
る。
FIG. 2 is a perspective view showing a configuration of a main part of the first embodiment.

【図3】実施例の位相格子の断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of the phase grating of the embodiment.

【図4】回折格子の回折効率を表すグラフ図である。FIG. 4 is a graph showing the diffraction efficiency of a diffraction grating.

【図5】第2実施例の構成図である。FIG. 5 is a configuration diagram of a second embodiment.

【図6】第3実施例の構成図である。FIG. 6 is a configuration diagram of a third embodiment.

【図7】第4実施例の構成図である。FIG. 7 is a configuration diagram of a fourth embodiment.

【図8】第4実施例の主要部の構成を示す斜視図であ
る。
FIG. 8 is a perspective view showing a configuration of a main part of a fourth embodiment.

【図9】第5実施例の構成図である。FIG. 9 is a configuration diagram of a fifth embodiment.

【図10】第6実施例の構成図である。FIG. 10 is a configuration diagram of a sixth embodiment.

【図11】第6実施例の構成図である。FIG. 11 is a configuration diagram of a sixth embodiment.

【図12】第7実施例の構成図である。FIG. 12 is a configuration diagram of a seventh embodiment.

【図13】第8実施例の構成図である。FIG. 13 is a configuration diagram of an eighth embodiment.

【図14】図13の実施例の変形例の構成図である。FIG. 14 is a configuration diagram of a modification of the embodiment of FIG.

【図15】第9実施例の構成図である。FIG. 15 is a configuration diagram of a ninth embodiment.

【図16】第10実施例の構成図である。FIG. 16 is a configuration diagram of a tenth embodiment.

【図17】スケール21の取付け誤差が及ぼす悪影響を
説明するための図である。
FIG. 17 is a diagram for explaining an adverse effect of a mounting error of the scale 21;

【図18】受光素子の受光面に平行光束(平面波)が入
射する場合と発散光束(球面波)が入射する場合とを比
較した図である。
FIG. 18 is a diagram comparing a case where a parallel light beam (plane wave) enters a light receiving surface of a light receiving element and a case where a divergent light beam (spherical wave) enters.

【図19】第11実施例の構成図である。FIG. 19 is a configuration diagram of an eleventh embodiment.

【図20】スケールのヘッドに対する相対取付誤差を説
明するための原理図である。
FIG. 20 is a principle diagram for explaining a relative mounting error of the scale with respect to the head.

【図21】スケールのヘッドに対する相対取付誤差を説
明するための斜視図である。
FIG. 21 is a perspective view for explaining a relative mounting error of the scale with respect to the head.

【図22】球面波における干渉状態を現した説明図であ
る。
FIG. 22 is an explanatory diagram showing an interference state in a spherical wave.

【図23】干渉2光束間の角度差と、スケールのヘッド
に対する相対取付誤差角度(アジマス角)と、発光源の
波長と格子のピッチとの比、との関係を示したグラフで
ある。
FIG. 23 is a graph showing the relationship between the angle difference between two interference light beams, the relative mounting error angle (azimuth angle) of the scale with respect to the head, and the ratio between the wavelength of the light emitting source and the pitch of the grating.

【図24】干渉2光束間の角度差と、スケールのヘッド
に対する相対取付誤差角度(アジマス角)との関係を示
したグラフである。
FIG. 24 is a graph showing a relationship between an angle difference between two beams of interference and a relative mounting error angle (azimuth angle) of the scale with respect to a head.

【図25】干渉2光束間の交差位置と、スケールのヘッ
ドに対する相対取付誤差角度(アジマス角)と、発光源
の波長と格子のピッチとの比、との関係を示したグラフ
である。
FIG. 25 is a graph showing a relationship between an intersecting position between two interference light beams, a relative mounting error angle (azimuth angle) of the scale with respect to a head, and a ratio between a wavelength of a light emitting source and a pitch of a grating.

【図26】干渉2光束間の交差位置と、スケールのヘッ
ドに対する相対取付誤差角度(アジマス角)との関係を
示したグラフである。
FIG. 26 is a graph showing the relationship between the intersection position between two interference light beams and the relative mounting error angle (azimuth angle) of the scale with respect to the head.

【図27】干渉縞の1mm当たりの本数と、スケールの
ヘッドに対する相対取付誤差角度(アジマス角)と、理
想集光位置からのズレ、との関係を示したグラフであ
る。
FIG. 27 is a graph showing the relationship between the number of interference fringes per 1 mm, the relative mounting error angle (azimuth angle) of the scale with respect to the head, and the deviation from the ideal focusing position.

【図28】干渉縞の1mm当たりの本数と、スケールの
ヘッドに対する相対取付誤差角度(アジマス角)と、理
想集光位置からのズレ、との関係を示したグラフであ
る。
FIG. 28 is a graph showing the relationship between the number of interference fringes per 1 mm, the relative mounting error angle (azimuth angle) of the scale with respect to the head, and the deviation from the ideal focusing position.

【図29】集光位置とセンサとの位置関係の模式図であ
る。
FIG. 29 is a schematic diagram of a positional relationship between a light-converging position and a sensor.

【図30】スケールのヘッドに対する他の相対取付誤差
を説明するための原理図である。
FIG. 30 is a principle view for explaining another relative mounting error of the scale with respect to the head.

【図31】第12実施例の構成図である。FIG. 31 is a configuration diagram of a twelfth embodiment.

【図32】第12実施例の光学ユニットの断面図であ
る。
FIG. 32 is a sectional view of an optical unit according to a twelfth embodiment.

【図33】図32の光学ユニットの変形例である。FIG. 33 is a modification of the optical unit in FIG. 32;

【図34】図32の光学ユニットの変形例である。FIG. 34 is a modification of the optical unit in FIG. 32;

【図35】第13実施例の構成図である。FIG. 35 is a configuration diagram of a thirteenth embodiment.

【図36】図35の実施例の変形例である。FIG. 36 is a modification of the embodiment of FIG. 35;

【図37】図35の実施例の変形例である。FIG. 37 is a modification of the embodiment of FIG. 35;

【図38】エンコーダを有する駆動システムの実施例の
構成図である。
FIG. 38 is a configuration diagram of an embodiment of a drive system having an encoder.

【図39】第15実施例のレーザドップラ変位センサの
構成図である。
FIG. 39 is a configuration diagram of a laser Doppler displacement sensor according to a fifteenth embodiment.

【図40】第16実施例の構成図である。FIG. 40 is a configuration diagram of a sixteenth embodiment.

【図41】第17実施例のレーザドップラ変位センサの
構成図である。
FIG. 41 is a configuration diagram of a laser Doppler displacement sensor of a seventeenth embodiment.

【図42】第18実施例の構成図である。FIG. 42 is a configuration diagram of an eighteenth embodiment.

【図43】ドップラ変位センサを有する駆動システムの
実施例の構成図である。
FIG. 43 is a configuration diagram of an embodiment of a drive system having a Doppler displacement sensor.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 発光素子 2 ミラー 3 透明ガラス板 31A、31B、31C レンズ 32A、32B、32C 回折格子 4、4A,4B,4C 受光素子 5 筐体 7、8 透明ガラス板 20 相対移動スケール 21 回折格子目盛り 22 2本のレーザ光束の収束交差点 23 相対移動する散乱反射性の被検物体 35 レンズ 36、37A、37B 回折格子 38 レンズ Reference Signs List 1 light emitting element 2 mirror 3 transparent glass plate 31A, 31B, 31C lens 32A, 32B, 32C diffraction grating 4, 4A, 4B, 4C light receiving element 5 housing 7, 8 transparent glass plate 20 relative movement scale 21 diffraction grating scale 22 2 Convergent crossing point of the laser beam of the book 23 Scattering / reflection object to be relatively moved 35 Lens 36, 37A, 37B Diffraction grating 38 Lens

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 近藤 浩史 東京都大田区下丸子3丁目30番2号キヤ ノン株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−172203(JP,A) 特開 昭61−17016(JP,A) 特開 昭63−311121(JP,A) 特開 平4−2116(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01B 11/00 G01D 5/38──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (72) Inventor Hiroshi Kondo 3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo Inside Canon Inc. (56) References JP-A-62-172203 (JP, A) JP-A-61 -17016 (JP, A) JP-A-63-311121 (JP, A) JP-A-4-2116 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 6 , DB name) G01B 11/00 G01D 5/38

Claims (26)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 光学窓部を有する筐体、 該筐体に内蔵される発光素子と受光素子、 該窓部近傍に設けられた透光部材、 該透光部材に設けられ、前記発光素子で生成された光を
複数の光束に分割して出射させるための第1の光学機能
素子、 該透光部材に設けられ、前記出射された光束が相対変位
物体に照射されて変調を受けた光を前記受光素子に導く
ための第2の光学機能素子、を有することを特徴とする
光学式変位センサ。
1. A housing having an optical window, a light emitting element and a light receiving element built in the housing, a light transmitting member provided in the vicinity of the window, and a light transmitting element provided on the light transmitting member. A first optical function element for splitting the generated light into a plurality of light beams and emitting the light, provided on the light-transmitting member, and irradiating the emitted light onto a relative displacement object and modulating the light; An optical displacement sensor, comprising: a second optical function element for leading to the light receiving element.
【請求項2】 物体を変位させる駆動機構、 該物体の変位状態を検出する請求項1の光学式変位セン
サ、 該センサの検出出力に基づいて前記駆動機構を制御する
制御手段、を有することを特徴とする光学式変位センサ
を用いた駆動システム。
2. A drive mechanism for displacing an object, an optical displacement sensor for detecting a displacement state of the object, and control means for controlling the drive mechanism based on a detection output of the sensor. A drive system using an optical displacement sensor.
【請求項3】 前記光学式変位センサはエンコーダであ
り、前記相対変位物体は回折格子スケールである請求項
1の変位センサ又は請求項2の駆動システム。
3. The displacement sensor according to claim 1, wherein the optical displacement sensor is an encoder, and the relative displacement object is a diffraction grating scale.
【請求項4】 前記光学式変位センサはドップラ変位セ
ンサであり、前記相対変位物体は散乱反射性物体である
請求項1の変位センサ又は請求項2の駆動システム。
4. The drive system according to claim 1, wherein the optical displacement sensor is a Doppler displacement sensor, and the relative displacement object is a scattering reflective object.
【請求項5】 前記発光素子は半導体レーザ素子である
請求項1の変位センサ又は請求項2の駆動システム。
5. The displacement sensor according to claim 1, wherein the light emitting element is a semiconductor laser element.
【請求項6】 前記受光素子は複数個設けられる請求項
1の変位センサ又は請求項2の駆動システム。
6. The displacement sensor according to claim 1, wherein a plurality of said light receiving elements are provided.
【請求項7】 互いに1/4周期の位相差を有する信号
を検出する少なくとも2個の受光素子を有する請求項6
記載の変位センサ又は駆動システム。
7. At least two light receiving elements for detecting signals having a phase difference of 1 / period from each other.
A displacement sensor or drive system as described.
【請求項8】 前記透光部材は透明板であり、一方の面
にレンズ部が設けられ他方の面に回折格子部が設けられ
る請求項1の変位センサ又は請求項2の駆動システム。
8. The displacement sensor according to claim 1, wherein the light transmitting member is a transparent plate, and a lens portion is provided on one surface and a diffraction grating portion is provided on the other surface.
【請求項9】 それぞれレンズ部あるいは回折格子部が
設けられる複数枚の透明板が、前記窓部近傍に多重に取
り付けられる請求項1の変位センサ又は請求項2の駆動
システム。
9. The displacement sensor according to claim 1, wherein a plurality of transparent plates each provided with a lens portion or a diffraction grating portion are attached in a multiplex manner near the window portion.
【請求項10】 前記受光素子で得られた信号を処理す
る信号処理回路を前記筐体に内蔵する請求項1の変位セ
ンサ又は請求項2の駆動システム。
10. The displacement sensor according to claim 1, wherein a signal processing circuit for processing a signal obtained by the light receiving element is built in the housing.
【請求項11】 前記回折格子はレリーフ型回折格子で
あり、回折格子の材質の屈折率をN、発光素子で生成さ
れる光の波長をλとしたとき、該レリーフ型回折格子の
溝の深さdが以下の条件を満たす請求項3の変位センサ
又は駆動システム。 {λ/[4π(N−1)]}{2nπ+cos-1(−0.8)} ≦ d ≦ {λ/[4π(N−1)]}{2(n+1)π−cos-1(−0.8)} n=0,1,2,3,4,・・・
11. The relief grating of claim 1, wherein the refractive index of the material of the diffraction grating is N, and the wavelength of light generated by the light emitting element is λ. 4. The displacement sensor or drive system according to claim 3, wherein d satisfies the following condition. {Λ / [4π (N−1)]} 2nπ + cos −1 (−0.8)} ≦ d ≦ {λ / [4π (N−1)]} 2 (n + 1) π−cos −1 (− 0.8)} n = 0,1,2,3,4, ...
【請求項12】 前記筐体と前記透光部材との相対位置
関係を調整する機構を有する請求項1の変位センサ又は
請求項2の駆動システム。
12. The displacement sensor according to claim 1, further comprising a mechanism for adjusting a relative positional relationship between said housing and said light transmitting member.
【請求項13】 前記変位物体に指向される光束が含ま
れる面と、前記変位物体から反射される光束が含まれる
面とが異なる請求項1の変位センサ又は請求項2の駆動
システム。
13. The displacement sensor according to claim 1, wherein a surface including a light beam directed to the displacement object is different from a surface including a light beam reflected from the displacement object.
【請求項14】 前記受光素子には球面波の光が入射す
るように光学系が構成される請求項3の変位センサ又は
請求項2の駆動システム。
14. The displacement sensor according to claim 3, wherein the optical system is configured such that light of a spherical wave is incident on the light receiving element.
【請求項15】 発光素子で生成された光が、回折格子
スケール近傍に集光されるように光学系が構成される請
求項14の変位センサ又は駆動システム。
15. The displacement sensor or the drive system according to claim 14, wherein the optical system is configured so that light generated by the light emitting element is collected near the diffraction grating scale.
【請求項16】 前記透光部材は前記発光素子で生成さ
れる光の波長域を選択的に透過するフィルタ作用を有す
る請求項1の変位センサ又は請求項2の駆動システム。
16. The displacement sensor according to claim 1, wherein said light transmitting member has a filter function of selectively transmitting a wavelength range of light generated by said light emitting element.
【請求項17】 前記透光部材は多重反射光を遮断する
ための遮光手段を有する請求項1の変位センサ又は請求
項2の駆動システム。
17. The displacement sensor according to claim 1, wherein the light-transmitting member has a light-blocking means for blocking multiple reflected light.
【請求項18】 前記透光部材の内面に接合され、発光
素子で生成された光をコリメートするレンズ、 前記透光部材の外面に設けられ、前記コリメートされた
光束を複数本に分割して回折格子スケールに指向するた
めの第1の回折格子、 前記透光部材の外面に設けられ、前記回折格子スケール
から戻される複数の光束を合成して干渉させるための第
2、第3の回折格子、 前記透光部材の内面に設けられ、前記第2、第3の回折
格子から略垂直方向に取り出されたそれぞれの干渉光
を、筐体内部のそれぞれに対応する複数個の受光素子に
集光するための複数のレンズ、を有し、 前記第1、第2、第3の回折格子は全て同一のピッチか
らなり、第2、第3の回折格子はそれぞれ互いに位相が
ずれた状態で配置されることを特徴とする請求項3の変
位センサ又は駆動システム。
18. A lens bonded to an inner surface of the light transmitting member and collimating light generated by the light emitting element, provided on an outer surface of the light transmitting member, and dividing the collimated light beam into a plurality of light beams for diffraction. A first diffraction grating directed to a grating scale, a second diffraction grating provided on an outer surface of the light transmitting member, and a second and third diffraction grating for combining and interfering a plurality of light fluxes returned from the diffraction grating scale; The respective interference lights provided on the inner surface of the light transmitting member and taken out in the substantially vertical direction from the second and third diffraction gratings are focused on a plurality of light receiving elements respectively corresponding to the inside of the housing. , The first, second, and third diffraction gratings all have the same pitch, and the second and third diffraction gratings are arranged with their phases shifted from each other. 4. The method according to claim 3, wherein Position sensors or drive system.
【請求項19】 前記複数個の受光素子は同一基板上に
並列に配置される請求項18の変位センサ又は駆動シス
テム。
19. The displacement sensor or drive system according to claim 18, wherein said plurality of light receiving elements are arranged in parallel on the same substrate.
【請求項20】 前記透光部材の内面に設けられ、光束
を複数本に分割する第1の回折格子、 前記透光部材の外面に設けられ、前記第1の回折格子で
分割されたそれぞれの光束の進行方位を曲げて相対変位
物体に指向するための第2、第3の回折格子、 前記透光部材に設けられ、相対変位物体から反射散乱さ
れて位相変調されたドップラ光を、筐体内の受光素子に
入射させるためのレンズを有することを特徴とする請求
項4の変位センサ又は駆動システム。
20. A first diffraction grating provided on an inner surface of the light transmitting member and dividing a light beam into a plurality of light beams, and a first diffraction grating provided on an outer surface of the light transmitting member and divided by the first diffraction grating. Second and third diffraction gratings for bending the traveling direction of the light beam and directing the beam to a relative displacement object; a Doppler light provided on the translucent member and reflected and scattered from the relative displacement object and phase-modulated, and The displacement sensor or the drive system according to claim 4, further comprising a lens for allowing the light to enter the light receiving element.
【請求項21】 前記透光部材とは別に、発光素子で生
成された光をコリメートするレンズが設けられた透光部
材を有し、透光部材同士を多重に配置した請求項20の
変位センサ又は駆動システム。
21. The displacement sensor according to claim 20, further comprising a light transmitting member provided with a lens for collimating the light generated by the light emitting element, separately from the light transmitting member, wherein the light transmitting members are arranged in a multiplex manner. Or drive system.
【請求項22】 光源と、前記光源からの光束の集束発
散状態を変換する光束変換素子及び前記光束変換素子に
よって変換された光束を第1及び第2光束に分離する分
離光学素子をそれぞれ異なる面上に一体的に設けた透明
部材と、前記第1及び第2光束により照明された被検物
体から各光束に対応して発生する2つの回折光を合波し
て干渉させて検出する検出系とを有し、該検出系の検出
結果に基づいて前記被検物体の変位に関する情報を測定
する事を特徴とする変位検出装置。
22. A light source, a light beam conversion element for converting the divergent state of light beams from the light source, and a separation optical element for separating the light beam converted by the light beam conversion device into first and second light beams. A transparent member integrally provided above, and a detection system for combining two diffracted lights generated from the test object illuminated by the first and second light fluxes corresponding to the respective light fluxes to cause interference and detection. A displacement detection device for measuring information on displacement of the object to be detected based on a detection result of the detection system.
【請求項23】 被測定回折格子との間の相対的変位を
測定するための光学式変位センサで、発光素子と、前記
発光素子から射出された光束の集束発散状態を変換する
光学手段と、前記発光素子からの光束を第1光束と第2
光束に分割する第1回折格子と、前記被測定回折格子に
照射された前記第1光束と第2光束それぞれから発生す
る回折光同志を合成し干渉光束を得るための第2回折格
子と、該干渉光束を受光するための受光素子とを有し、
前記受光素子に入射する干渉光束の波面が球面になるよ
うに配置されている事を特徴とする光学式変位センサ。
23. An optical displacement sensor for measuring a relative displacement between a diffraction grating to be measured, a light emitting element, and an optical means for converting a convergence and divergence state of a light beam emitted from the light emitting element; The light beam from the light emitting element is divided into a first light beam and a second light beam.
A first diffraction grating for splitting into a light beam, a second diffraction grating for synthesizing diffracted light beams generated from the first light beam and the second light beam applied to the measured diffraction grating to obtain an interference light beam, A light receiving element for receiving the interference light beam,
An optical displacement sensor, wherein the wavefront of the interference light beam incident on the light receiving element is arranged to be spherical.
【請求項24】 被測定回折格子との間の相対的変位を
測定するための光学式変位センサで、発光素子と、前記
発光素子から射出された光束の集束発散状態を変換する
光学手段と、前記発光素子からの光束を第1光束と第2
光束に分割する第1回折格子と、前記被測定回折格子に
照射された前記第1光束と第2光束それぞれから発生す
る2つの回折光同志を合成し干渉光束を得るための第2
回折格子と、該干渉光束を受光するための受光素子とを
有し、前記2つの回折光の前記被測定回折格子から前記
第2回折格子に達するまでの光路長をそれぞれL、L′
としたときに前記第2回折格子からの光路長が略(L+
L′)/2の位置に前記第1及び第2光束または前記2
つの回折光の集束点が形成されるように前記光学手段を
設定したことを特徴とする光学式変位センサ。
24. An optical displacement sensor for measuring a relative displacement between a diffraction grating to be measured, a light emitting element, and an optical means for converting a convergence and divergence state of a light beam emitted from the light emitting element. The light beam from the light emitting element is divided into a first light beam and a second light beam.
A first diffraction grating that divides the light into a light beam, and a second diffraction light beam that combines two diffracted light beams generated from the first light beam and the second light beam applied to the measured diffraction grating to obtain an interference light beam.
A diffraction grating, and a light receiving element for receiving the interference light beam, wherein the optical path lengths of the two diffracted lights from the measured diffraction grating to the second diffraction grating are L and L ', respectively.
When the optical path length from the second diffraction grating is substantially (L +
L ′) / 2, the first and second light beams or the second light beam
An optical displacement sensor, wherein the optical means is set so that a focal point of two diffracted lights is formed.
【請求項25】 被測定回折格子との間の相対的変位を
測定するための光学式変位センサで、発光素子と、前記
発光素子から射出された光束の集束発散状態を変換する
光学手段と、前記発光素子からの光束を第1光束と第2
光束に分割する第1回折格子と、前記被測定回折格子に
照射された前記第1光束と第2光束それぞれから発生す
る2つの回折光同志を合成し干渉光束を得るための第2
回折格子と、該干渉光束を受光するための受光素子とを
有し、前記第1及び第2光束または前記2つの回折光そ
れぞれにおいて前記第1回折格子から前記第2回折格子
に達するまでの光路長の略中間の光路長位置に前記2つ
の回折光の集束点が形成されるように前記光学手段を設
定したことを特徴とする光学式変位センサ。
25. An optical displacement sensor for measuring a relative displacement between a diffraction grating to be measured, a light emitting element, and an optical means for converting a convergence / divergence state of a light beam emitted from the light emitting element; The light beam from the light emitting element is divided into a first light beam and a second light beam.
A first diffraction grating that divides the light into a light beam, and a second diffraction light beam that combines two diffracted light beams generated from the first light beam and the second light beam applied to the measured diffraction grating to obtain an interference light beam.
An optical path including a diffraction grating and a light receiving element for receiving the interference light beam, and in each of the first and second light beams or the two diffracted lights, an optical path from the first diffraction grating to the second diffraction grating An optical displacement sensor, wherein the optical means is set so that a focal point of the two diffracted lights is formed at a position of an optical path length substantially in the middle of the length.
【請求項26】 前記集光点を前記被測定回折格子近傍
の位置とした事を特徴とする請求項24または25記載
の光学式変位センサ。
26. The optical displacement sensor according to claim 24, wherein the converging point is located near the diffraction grating to be measured.
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