JP3028716B2 - 光学式変位センサ - Google Patents
光学式変位センサInfo
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- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims description 91
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 title claims description 39
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims description 23
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 12
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 5
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 description 5
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 3
- NCGICGYLBXGBGN-UHFFFAOYSA-N 3-morpholin-4-yl-1-oxa-3-azonia-2-azanidacyclopent-3-en-5-imine;hydrochloride Chemical compound Cl.[N-]1OC(=N)C=[N+]1N1CCOCC1 NCGICGYLBXGBGN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
- G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
- G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
- G01D5/36—Forming the light into pulses
- G01D5/38—Forming the light into pulses by diffraction gratings
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
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- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、物体に光を照射した際
に発生する回折、干渉により、干渉光束が変調されるこ
とを利用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に関するものである。
に発生する回折、干渉により、干渉光束が変調されるこ
とを利用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に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来のこの種の光学式変位センサとして
は、光学式エンコーダ、レーザドップラー速度計、レー
ザ干渉計等があり、これ等は高精度、高分解能である
が、より広い分野に応用されるには小型化（ミリオーダ
のサイズ）であり、且つ高精度、高分解能（0.1 μｍオ
ーダ）、高安定性が必要になってきている。ミリサイズ
になれば測定される対象に直接貼り付けて使用できるの
で、より小型な装置にも使用できることになるが、しか
し、取付誤差が生じやすいので、その対応が必要とな
る。
は、光学式エンコーダ、レーザドップラー速度計、レー
ザ干渉計等があり、これ等は高精度、高分解能である
が、より広い分野に応用されるには小型化（ミリオーダ
のサイズ）であり、且つ高精度、高分解能（0.1 μｍオ
ーダ）、高安定性が必要になってきている。ミリサイズ
になれば測定される対象に直接貼り付けて使用できるの
で、より小型な装置にも使用できることになるが、しか
し、取付誤差が生じやすいので、その対応が必要とな
る。
【０００３】こうした光を利用した検出装置の分野で小
型化に有効な先行技術としては次のようなものがある。
型化に有効な先行技術としては次のようなものがある。
【０００４】図１３は、実開平１ー１８０６１５号公報
に開示された光学エンコーダの説明図であり、発光素子
４２から発散された光束は、基板４６の穴４６Ａを通
り、スリットアレイ１４によって線状光線アレイに変換
され、スケール４０上の格子に照射されると、その底面
１２から反射される光束によってインデックス格子１６
上にスケール４０の格子が投影され、両者の幾何学的重
なりによって基板４６上の受光素子４８へ透過入射する
光量が変調されることを原理としている。この原理によ
ると小型化できるが、分解能には限界がある。
に開示された光学エンコーダの説明図であり、発光素子
４２から発散された光束は、基板４６の穴４６Ａを通
り、スリットアレイ１４によって線状光線アレイに変換
され、スケール４０上の格子に照射されると、その底面
１２から反射される光束によってインデックス格子１６
上にスケール４０の格子が投影され、両者の幾何学的重
なりによって基板４６上の受光素子４８へ透過入射する
光量が変調されることを原理としている。この原理によ
ると小型化できるが、分解能には限界がある。
【０００５】図１４は特開平６２ー１２１３１４号公報
に開示された光学式エンコーダの説明図であり、回折格
子を３枚使ったエンコーダの基本光学系（英国特許公開
公報第１４７４０４９号＝ライツ）を小型化するための
１つの有効な改善構成例である。発光素子５１から発散
された光束は、レンズ５２によって平行光束にされ、イ
ンデックススケールＡ上の格子ＧＫ（Ａ）に照射される
と回折され、３方向の射出方向の光束を生じる。
に開示された光学式エンコーダの説明図であり、回折格
子を３枚使ったエンコーダの基本光学系（英国特許公開
公報第１４７４０４９号＝ライツ）を小型化するための
１つの有効な改善構成例である。発光素子５１から発散
された光束は、レンズ５２によって平行光束にされ、イ
ンデックススケールＡ上の格子ＧＫ（Ａ）に照射される
と回折され、３方向の射出方向の光束を生じる。
【０００６】スケールＢの格子ＧＫ（Ｂ）にて各々の光
束が回折され、相対移動による位相変調を受けてインデ
ックス格子Ａ上の格子ＧＫ（Ａ）に戻され、インデック
ス格子による回折により３組の干渉光束が異なる方位に
設けた受光素子へ入射させる。この構成により、小型高
分解能を両立させている。
束が回折され、相対移動による位相変調を受けてインデ
ックス格子Ａ上の格子ＧＫ（Ａ）に戻され、インデック
ス格子による回折により３組の干渉光束が異なる方位に
設けた受光素子へ入射させる。この構成により、小型高
分解能を両立させている。
【０００７】図１５は特開平３−２７９８１２号公報に
開示された光学式エンコーダの説明図であり、同時に高
精度で簡易小型化にするためには有効な例であり、図１
３において、６１は発光素子、６２はレンズ、６３，６
４は回折格子、６５ａ，６５ｂは受光素子である。
開示された光学式エンコーダの説明図であり、同時に高
精度で簡易小型化にするためには有効な例であり、図１
３において、６１は発光素子、６２はレンズ、６３，６
４は回折格子、６５ａ，６５ｂは受光素子である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
光学式変位センサとしてのエンコーダはいずれも小型
化、高精度化されているが、以下のような課題が存在す
る。
光学式変位センサとしてのエンコーダはいずれも小型
化、高精度化されているが、以下のような課題が存在す
る。
【０００９】．発光素子から射出された光を左右に２
分割、叉はそれ以上に分割し、その干渉光束を光電素子
で受光している。これにより、回折格子で合成された干
渉光束の内、干渉状態をすべて等しく一定状態に調整す
ることは非常に困難である。このため、異なる干渉領域
間で得られる信号の振幅と位相差は安定しない。
分割、叉はそれ以上に分割し、その干渉光束を光電素子
で受光している。これにより、回折格子で合成された干
渉光束の内、干渉状態をすべて等しく一定状態に調整す
ることは非常に困難である。このため、異なる干渉領域
間で得られる信号の振幅と位相差は安定しない。
【００１０】．同一の干渉光束内で分割された光束も
本体分解能を向上させればさせるほど、取付誤差等の影
響で干渉状態が変動し易くなり、各相から出力される位
相差が不安定になる。よって、この様な構成をとる限
り、高分解能の変位センサを構成するのは実用上困難で
ある。
本体分解能を向上させればさせるほど、取付誤差等の影
響で干渉状態が変動し易くなり、各相から出力される位
相差が不安定になる。よって、この様な構成をとる限
り、高分解能の変位センサを構成するのは実用上困難で
ある。
【００１１】以下では、上記図１５に示す従来の光学式
エンコーダの様な３枚の回折格子を使用する場合、投光
手段と受光手段とが設けられたヘッド部とスケール部の
取り付け誤差による干渉状態変動について説明する。
エンコーダの様な３枚の回折格子を使用する場合、投光
手段と受光手段とが設けられたヘッド部とスケール部の
取り付け誤差による干渉状態変動について説明する。
【００１２】まず、図１６の様な取付誤差が生じると、
図１７の様な干渉縞が生じ、さらに図１８の様な取付誤
差が生じると、図１９の様な干渉縞が生じる。以下、図
１６の様な取付誤差の回転角を『アジマス角（η）』と
呼び、図１８の様な取付誤差の回転角を『カイテン角
（φ）』と呼ぶ事にする。
図１７の様な干渉縞が生じ、さらに図１８の様な取付誤
差が生じると、図１９の様な干渉縞が生じる。以下、図
１６の様な取付誤差の回転角を『アジマス角（η）』と
呼び、図１８の様な取付誤差の回転角を『カイテン角
（φ）』と呼ぶ事にする。
【００１３】図２０に示す干渉２光束干渉において、干
渉縞のピッチＰは、２光束が平面波（平行光）の場合も
しくは、極めて大きな曲率半径を有する球面波の場合、
２光線の主光線間の角度θと光線の波長λによって決定
する事が知られており、その関係は、 Ｐ＝λ／（２Ｓｉｎ［θ／２］） となる。
渉縞のピッチＰは、２光束が平面波（平行光）の場合も
しくは、極めて大きな曲率半径を有する球面波の場合、
２光線の主光線間の角度θと光線の波長λによって決定
する事が知られており、その関係は、 Ｐ＝λ／（２Ｓｉｎ［θ／２］） となる。
【００１４】また、干渉２光束が曲率半径の大きくない
球面波の場合、干渉縞のピッチＰは干渉２光束の主光線
の角度θに関係なく、２光束の集光点（Ａ，Ｂ）からセ
ンサ（観測面）までの距離によって変化し、２光束の集
光点（Ａ，Ｂ）からセンサ（観測面）までの光路長１
１，１２と、光の波長λに依存している。このとき、光
路長１１と１２の差Δｌ（Δ１＝１１−１２）が波長の
整数倍のときセンサ面上で光が強め合い（明るくな
り）、波長の整数倍プラス半波長のとき光は弱め合う
（暗くなる）。図２０に示したような場合、センサ面の
点Ｐ１において、Δ１は０であり、点Ｐ２においてλと
なる。
球面波の場合、干渉縞のピッチＰは干渉２光束の主光線
の角度θに関係なく、２光束の集光点（Ａ，Ｂ）からセ
ンサ（観測面）までの距離によって変化し、２光束の集
光点（Ａ，Ｂ）からセンサ（観測面）までの光路長１
１，１２と、光の波長λに依存している。このとき、光
路長１１と１２の差Δｌ（Δ１＝１１−１２）が波長の
整数倍のときセンサ面上で光が強め合い（明るくな
り）、波長の整数倍プラス半波長のとき光は弱め合う
（暗くなる）。図２０に示したような場合、センサ面の
点Ｐ１において、Δ１は０であり、点Ｐ２においてλと
なる。
【００１５】この間隔を干渉縞のピッチＰとすると、光
路長１１と１２および波長λの関係は Ｐ＝λ／（１２−１１） となる。
路長１１と１２および波長λの関係は Ｐ＝λ／（１２−１１） となる。
【００１６】図１６のアジマス角の取付誤差により干渉
２光束間の角度差は図２１（ａ），図２１（ｂ）の様に
なり、図１８のカイテン角の取付誤差により干渉２光束
間の角度差は図２２（ａ），図２２（ｂ）の様になる。
平行光を用いた場合、図１８のカイテン角の取付誤差に
ついて、干渉２光束間の角度差はあまり生じないが（取
り付け誤差角度の１／１００以下）、図１６のアジマス
角の取付誤差により干渉２光束間の角度差が図２１
（ａ），（ｂ）の様についてしまい干渉状態が不安定と
なってしまう。例えば回折格子の周期が１．６μｍで、
光の波長が０．７８μｍ、センサの大きさが１ｍｍ×１
ｍｍの場合、アジマス角が４０秒程度の時、２光束間の
角度差が同じ４０秒程度となり（図２１（ｂ））、出力
が１０％減少するという問題点があった。
２光束間の角度差は図２１（ａ），図２１（ｂ）の様に
なり、図１８のカイテン角の取付誤差により干渉２光束
間の角度差は図２２（ａ），図２２（ｂ）の様になる。
平行光を用いた場合、図１８のカイテン角の取付誤差に
ついて、干渉２光束間の角度差はあまり生じないが（取
り付け誤差角度の１／１００以下）、図１６のアジマス
角の取付誤差により干渉２光束間の角度差が図２１
（ａ），（ｂ）の様についてしまい干渉状態が不安定と
なってしまう。例えば回折格子の周期が１．６μｍで、
光の波長が０．７８μｍ、センサの大きさが１ｍｍ×１
ｍｍの場合、アジマス角が４０秒程度の時、２光束間の
角度差が同じ４０秒程度となり（図２１（ｂ））、出力
が１０％減少するという問題点があった。
【００１７】本発明は上記のような従来の問題点を解消
した光学式変位センサを提供することを目的とする。
した光学式変位センサを提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】本発明は発光素子から射
出された光束の集束、発散状態を変換する光学手段およ
び光束分割手段である第１の回折格子から成る投光手段
と、第２の回折格子が設けられた光の変調手段と、前記
変調手段からの変調光同士を合成し、干渉光束を得る第
３の回折格子および該干渉光束を受光する受光素子から
成る受光手段とを有する光学式変位センサにおいて、前
記干渉光束を得るために前記光束を前記第１の回折格子
で分離し、その分離された内の２光束を前記第３の回折
格子で合成するまでの過程で前記第２の回折格子から前
記第３の回折格子までの分離された光路長の各々をＬ1
，Ｌ2 とすると、前記第１の回折格子もしくは前記第
３の回折格子の格子線の方向に関して、前記第１の回折
格子から分離された光束の各々に沿って、光路長が（Ｌ
1 ＋Ｌ2 ）／２の位置に対応する領域において、光束が
集束され、格子配列方向には実質的な平行光と成る様に
投光手段を構成されていることにより、取り付け精度に
鈍感なエンコーダを構成する光学式変位センサを得るこ
とができる。
出された光束の集束、発散状態を変換する光学手段およ
び光束分割手段である第１の回折格子から成る投光手段
と、第２の回折格子が設けられた光の変調手段と、前記
変調手段からの変調光同士を合成し、干渉光束を得る第
３の回折格子および該干渉光束を受光する受光素子から
成る受光手段とを有する光学式変位センサにおいて、前
記干渉光束を得るために前記光束を前記第１の回折格子
で分離し、その分離された内の２光束を前記第３の回折
格子で合成するまでの過程で前記第２の回折格子から前
記第３の回折格子までの分離された光路長の各々をＬ1
，Ｌ2 とすると、前記第１の回折格子もしくは前記第
３の回折格子の格子線の方向に関して、前記第１の回折
格子から分離された光束の各々に沿って、光路長が（Ｌ
1 ＋Ｌ2 ）／２の位置に対応する領域において、光束が
集束され、格子配列方向には実質的な平行光と成る様に
投光手段を構成されていることにより、取り付け精度に
鈍感なエンコーダを構成する光学式変位センサを得るこ
とができる。
【００１９】また、本発明は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および光束分割
手段である第１の回折格子から成る投光手段と、第２の
回折格子が設けられた光の変調手段と、前記変調手段か
らの変調光同士を合成し、干渉光束を得る第３の回折格
子および該干渉光束を受光する受光素子から成る受光手
段とを有する光学式変位センサにおいて、前記干渉光束
を得るために前記光束を前記第１の回折格子で分離し、
その分離された内の２光束を前記第３の回折格子で合成
するまでの過程で、前記第２の回折格子から前記第３の
回折格子前記第３の回折格子までの分離された光路長の
各々をＬ１ ，Ｌ２ とすると、前記第１の回折格子の
格子線の方向に関して、前記第１の回折格子から分離さ
れた光束の各々に沿って、光路長が（Ｌ１ ＋Ｌ２ ）
／２の位置に対応する領域において、光束が集束され、
さらに前記第１の回折格子の格子配列方向において、光
束が略平行光と見なせる様に前記投光手段を構成したこ
とにより、取り付け精度に鈍感な光学式変位センサを得
ることができる。又、本発明は、回折格子が形成された
スケール手段との間の相対変位情報を測定するための装
置であって、光源手段と、該光源手段からの光束を複数
光束に分離する分離手段と、該分離手段によって分離さ
れた複数光束それぞれの前記回折格子による回折光を合
波する合波手段と、該合波手段によって合波された複数
光束による干渉光を受光する受光手段と、前記複数光束
を前記分離手段の光束分離方向には平行な状態とし、該
光束分離方向に垂直な方向には前記分離手段から前記合
波手段までの光路中において集光させるための光学手段
とを有し、前記受光手段の受光によって前記スケール手
段との間の相対変位情報が得られることを特徴とする光
学式変位センサ。
束の集束、発散状態を変換する光学手段および光束分割
手段である第１の回折格子から成る投光手段と、第２の
回折格子が設けられた光の変調手段と、前記変調手段か
らの変調光同士を合成し、干渉光束を得る第３の回折格
子および該干渉光束を受光する受光素子から成る受光手
段とを有する光学式変位センサにおいて、前記干渉光束
を得るために前記光束を前記第１の回折格子で分離し、
その分離された内の２光束を前記第３の回折格子で合成
するまでの過程で、前記第２の回折格子から前記第３の
回折格子前記第３の回折格子までの分離された光路長の
各々をＬ１ ，Ｌ２ とすると、前記第１の回折格子の
格子線の方向に関して、前記第１の回折格子から分離さ
れた光束の各々に沿って、光路長が（Ｌ１ ＋Ｌ２ ）
／２の位置に対応する領域において、光束が集束され、
さらに前記第１の回折格子の格子配列方向において、光
束が略平行光と見なせる様に前記投光手段を構成したこ
とにより、取り付け精度に鈍感な光学式変位センサを得
ることができる。又、本発明は、回折格子が形成された
スケール手段との間の相対変位情報を測定するための装
置であって、光源手段と、該光源手段からの光束を複数
光束に分離する分離手段と、該分離手段によって分離さ
れた複数光束それぞれの前記回折格子による回折光を合
波する合波手段と、該合波手段によって合波された複数
光束による干渉光を受光する受光手段と、前記複数光束
を前記分離手段の光束分離方向には平行な状態とし、該
光束分離方向に垂直な方向には前記分離手段から前記合
波手段までの光路中において集光させるための光学手段
とを有し、前記受光手段の受光によって前記スケール手
段との間の相対変位情報が得られることを特徴とする光
学式変位センサ。
【００２０】
実施例１．図１は本発明による光学式変位センサを構成
した実施例１を示す斜視図、図２はその実施例１の光路
を示した上面図（図１（ａ））と側面図（図１（ｂ））
である。図１，図２において、１は発光素子、３は受光
素子、Ｇ１は発散光束を分割するための第１の回折格
子、Ｇ２は分割された光束を位相変調するためのスケー
ルである第２の回折格子、Ｇ３は光束を合成するための
第３の回折格子、４は光束を第１の回折格子Ｇ１の格子
線方向にのみ集光する為のシリンドリカルレンズであ
る。
した実施例１を示す斜視図、図２はその実施例１の光路
を示した上面図（図１（ａ））と側面図（図１（ｂ））
である。図１，図２において、１は発光素子、３は受光
素子、Ｇ１は発散光束を分割するための第１の回折格
子、Ｇ２は分割された光束を位相変調するためのスケー
ルである第２の回折格子、Ｇ３は光束を合成するための
第３の回折格子、４は光束を第１の回折格子Ｇ１の格子
線方向にのみ集光する為のシリンドリカルレンズであ
る。
【００２１】なお、上記発光素子３および第１，第３の
回折格子Ｇ１，Ｇ３を有するヘッド部１００が投光手段
を、第２の回折格子Ｇ２を有するスケール部１０１が変
調手段を構成している。
回折格子Ｇ１，Ｇ３を有するヘッド部１００が投光手段
を、第２の回折格子Ｇ２を有するスケール部１０１が変
調手段を構成している。
【００２２】以下、本実施例１の原理を説明する。発光
素子１から射出した発散光束は、シリンドリカルレンズ
４にて第１の回折格子Ｇ１の格子線方向には集束光、第
１の回折格子Ｇ１の格子配列方向には光源からの発散光
となるような波面状態に変換され、第１の回折格子Ｇ１
上の点Ｏ１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
し、０次回折光Ｒ0 、＋１次回折光Ｒ+1のみを利用す
る。
素子１から射出した発散光束は、シリンドリカルレンズ
４にて第１の回折格子Ｇ１の格子線方向には集束光、第
１の回折格子Ｇ１の格子配列方向には光源からの発散光
となるような波面状態に変換され、第１の回折格子Ｇ１
上の点Ｏ１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
し、０次回折光Ｒ0 、＋１次回折光Ｒ+1のみを利用す
る。
【００２３】第１の回折格子Ｇ１を直進した光束Ｒ0
は、第２の回折格子Ｇ２の点Ｐ１にて反射回折さて、＋
１次回折光Ｒ0+1 ，−１次回折光Ｒ0-1 に分割し位相変
調され、この内＋１次回折光Ｒ0+1 のみを利用し、＋１
次回折光Ｒ0+1 の位相は＋２πΔｘ／Ｐだけずれる。但
しここで、Δｘは第２の回折格子Ｇ２の移動量、Ｐは第
２の回折格子Ｇ２のピッチであるとする。
は、第２の回折格子Ｇ２の点Ｐ１にて反射回折さて、＋
１次回折光Ｒ0+1 ，−１次回折光Ｒ0-1 に分割し位相変
調され、この内＋１次回折光Ｒ0+1 のみを利用し、＋１
次回折光Ｒ0+1 の位相は＋２πΔｘ／Ｐだけずれる。但
しここで、Δｘは第２の回折格子Ｇ２の移動量、Ｐは第
２の回折格子Ｇ２のピッチであるとする。
【００２４】＋１次回折光Ｒ0+1 は一度Ｃの位置で第１
の回折格子Ｇ１の格子線方向に集光され、第３の回折格
子Ｇ３にて透過回折されて、０次回折光Ｒ0+10、−１次
回折光Ｒ0+1ー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、波面の位相は、＋２πΔｘ／Ｐである。
の回折格子Ｇ１の格子線方向に集光され、第３の回折格
子Ｇ３にて透過回折されて、０次回折光Ｒ0+10、−１次
回折光Ｒ0+1ー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、波面の位相は、＋２πΔｘ／Ｐである。
【００２５】第１の回折格子Ｇ１にて＋１次回折した光
束Ｒ+1は、一度Ｃの位置で第１の回折格子Ｇ１の格子線
方向に集光され、Ｇ２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+10 およびその他の光束
に分割され、それぞれ位相変調され、この内、第２の回
折格子Ｇ２から垂直に取り出される−１次回折光Ｒ+1-1
のみを利用する。−１次回折光Ｒ+1-1の位相は、−２π
Δｘ／Ｐだけずれて、第３の回折格子Ｇ３に入射し、そ
こでこのまま直進した０次回折光Ｒ+1-10 の波面の位相
は、−２πΔｘ／Ｐである。
束Ｒ+1は、一度Ｃの位置で第１の回折格子Ｇ１の格子線
方向に集光され、Ｇ２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+10 およびその他の光束
に分割され、それぞれ位相変調され、この内、第２の回
折格子Ｇ２から垂直に取り出される−１次回折光Ｒ+1-1
のみを利用する。−１次回折光Ｒ+1-1の位相は、−２π
Δｘ／Ｐだけずれて、第３の回折格子Ｇ３に入射し、そ
こでこのまま直進した０次回折光Ｒ+1-10 の波面の位相
は、−２πΔｘ／Ｐである。
【００２６】第３の回折格子Ｇ３にて光路を重ね合わさ
れた光束Ｒ+1-10 と光束Ｒ0+1-1 は、干渉光となって受
光素子３に入射する。このときの干渉位相は、 ｛＋２πΔｘ／Ｐ｝ − ｛−２πΔｘ／Ｐ｝ ＝４πΔｘ／Ｐ となり、スケールである第２の回折格子Ｇ２が格子の配
列方向にＰ／２ピッチだけずれると、１周期の明暗信号
が発生する。
れた光束Ｒ+1-10 と光束Ｒ0+1-1 は、干渉光となって受
光素子３に入射する。このときの干渉位相は、 ｛＋２πΔｘ／Ｐ｝ − ｛−２πΔｘ／Ｐ｝ ＝４πΔｘ／Ｐ となり、スケールである第２の回折格子Ｇ２が格子の配
列方向にＰ／２ピッチだけずれると、１周期の明暗信号
が発生する。
【００２７】次に取り付け誤差角φ，ηと、干渉２光束
間の角度差θと、光の波長λ／回折格子のピッチＰとの
関係を説明する。
間の角度差θと、光の波長λ／回折格子のピッチＰとの
関係を説明する。
【００２８】図１において、発光源から射出された光の
内、レンズ４を透過して第１の回折格子Ｇ１に垂直に入
射する光線のベクトルをｕ0 （ｕ0x，ｕ0y、ｕ0z）と
し、ｍを回折次数とすると、第１の回折格子Ｇ１を透過
回折したｍ次光の方向ベクトルｕ1 （ｕ1x，ｕ1y，ｕ1
z）は以下のような関係を満たす事が知られている（Ｐ
x，Ｐy はｘ，ｙ方向の格子のピッチであり、格子はｘ
−ｙ平面内に存在する）。
内、レンズ４を透過して第１の回折格子Ｇ１に垂直に入
射する光線のベクトルをｕ0 （ｕ0x，ｕ0y、ｕ0z）と
し、ｍを回折次数とすると、第１の回折格子Ｇ１を透過
回折したｍ次光の方向ベクトルｕ1 （ｕ1x，ｕ1y，ｕ1
z）は以下のような関係を満たす事が知られている（Ｐ
x，Ｐy はｘ，ｙ方向の格子のピッチであり、格子はｘ
−ｙ平面内に存在する）。
【００２９】 この関係を基礎にし、第３の回折格子Ｇ３を透過回折し
干渉し合う２光束Ｒ+1-10 と光束Ｒ0+1-1 間の角度差θ
との関係は以下のようになる。
干渉し合う２光束Ｒ+1-10 と光束Ｒ0+1-1 間の角度差θ
との関係は以下のようになる。
【００３０】（ここでλ／Ｐ＝ｓとおく） θ＝Ｃｏｓ-1［（２ｓ）2 （Ｃｏｓη−１）＋１］ θ ＝ −φ−Ｓｉｎ-1｛ｓ＋Ｓｉｎ［φ−Ｓｉｎ-1（ｓ）］｝ ＋Ｓｉｎ-1｛ｓ＋Ｓｉｎ［φ−Ｓｉｎ-1（ｓ−Ｓｉｎφ）］｝ ここでθ，φを微小角とし、２次までの近似を取ると、 θ＝２ｓη （η：アジマス角） θ＝ｓφ2 ／［（１−ｓ2）1/2 ］（φ：カイテン角） となる。
【００３１】また、前記図１６のアジマス角ηを与えた
とき、干渉２光束Ｒ+1-10 と光束Ｒ0+1 -1間の角度θは
図１のｙ−ｚ面内で生じ（図１７参照）、図１８のカイ
テン角φを与えると、図１のｘ−ｚ面内にて角度差θが
生じる（図１９参照）。この関係を図示したものが図２
１（ａ），図２２（ａ）であり、λ＝０．７８μｍ，Ｐ
＝１．６μｍとすると図２１（ｂ），図２２（ｂ）のよ
うになる。
とき、干渉２光束Ｒ+1-10 と光束Ｒ0+1 -1間の角度θは
図１のｙ−ｚ面内で生じ（図１７参照）、図１８のカイ
テン角φを与えると、図１のｘ−ｚ面内にて角度差θが
生じる（図１９参照）。この関係を図示したものが図２
１（ａ），図２２（ａ）であり、λ＝０．７８μｍ，Ｐ
＝１．６μｍとすると図２１（ｂ），図２２（ｂ）のよ
うになる。
【００３２】次に第２の回折格子Ｇ２が取り付け誤差を
生じたとき、干渉２光束Ｒ+1-10 と光束Ｒ0+1-1 のセン
サから見た交差点の位置Ｃを求める。上記〜の関係
を用い、第２の回折格子Ｇ２から第３の回折格子Ｇ３ま
での光路長Ｌ２（図２参照）を単位長さとして評価する
と、第２の回折格子Ｇ２が図１６のアジマス角ηを受け
たときの交差位置Ｃは、図３（ａ）の様になり、図１８
のカイテン角φを受けると図４ａの様になる。ここで交
差位置Ｃの符号は、第３の回折格子Ｇ３を原点にして、
センサの方向をマイナス、第２の回折格子Ｇ２の方向を
プラスと定義した。
生じたとき、干渉２光束Ｒ+1-10 と光束Ｒ0+1-1 のセン
サから見た交差点の位置Ｃを求める。上記〜の関係
を用い、第２の回折格子Ｇ２から第３の回折格子Ｇ３ま
での光路長Ｌ２（図２参照）を単位長さとして評価する
と、第２の回折格子Ｇ２が図１６のアジマス角ηを受け
たときの交差位置Ｃは、図３（ａ）の様になり、図１８
のカイテン角φを受けると図４ａの様になる。ここで交
差位置Ｃの符号は、第３の回折格子Ｇ３を原点にして、
センサの方向をマイナス、第２の回折格子Ｇ２の方向を
プラスと定義した。
【００３３】即ち、第２の回折格子Ｇ２がアジマス角η
を生じると、干渉する２光束が第３の回折格子Ｇ３の格
子線方向に分離し、センサ面から第３の回折格子Ｇ３の
方向に向かって干渉２光束を見ると、第２の回折格子Ｇ
２の近傍で交差する。この交差位置Ｃは、（Ｌ1 ＋Ｌ2
）／２に対応する位置である。
を生じると、干渉する２光束が第３の回折格子Ｇ３の格
子線方向に分離し、センサ面から第３の回折格子Ｇ３の
方向に向かって干渉２光束を見ると、第２の回折格子Ｇ
２の近傍で交差する。この交差位置Ｃは、（Ｌ1 ＋Ｌ2
）／２に対応する位置である。
【００３４】また、第３の回折格子Ｇ３がカイテン角φ
を生じると、干渉２光束が第３の回折格子Ｇ３の格子配
列方向に分離し、センサ面から見て第３の回折格子Ｇ３
のある方向とは反対の方向に向かって干渉２光束を見る
と、遥か遠方で交差している様に見える。ここでＰ＝
１．６μｍ，λ＝０．７８μｍとすると干渉２光束の交
差位置Ｃは、図３（ｂ），図４（ｂ）の様になる。
を生じると、干渉２光束が第３の回折格子Ｇ３の格子配
列方向に分離し、センサ面から見て第３の回折格子Ｇ３
のある方向とは反対の方向に向かって干渉２光束を見る
と、遥か遠方で交差している様に見える。ここでＰ＝
１．６μｍ，λ＝０．７８μｍとすると干渉２光束の交
差位置Ｃは、図３（ｂ），図４（ｂ）の様になる。
【００３５】そこで、２光束の干渉状態を安定させるた
めに、第１の回折格子Ｇ１の格子線方向に第２の回折格
子Ｇ２の近傍で集光し（この集光位置を図１の交差位置
Ｃと同じにする。即ちＬ3 ＝（Ｌ1 ＋Ｌ2 ）／２の位
置）、第１の回折格子Ｇ１の格子配列方向に関しては平
行光（平面波）もしくは極めて大きな曲率半径を有する
球面波（この場合、発光素子からの発散光）と成るよう
に構成する。
めに、第１の回折格子Ｇ１の格子線方向に第２の回折格
子Ｇ２の近傍で集光し（この集光位置を図１の交差位置
Ｃと同じにする。即ちＬ3 ＝（Ｌ1 ＋Ｌ2 ）／２の位
置）、第１の回折格子Ｇ１の格子配列方向に関しては平
行光（平面波）もしくは極めて大きな曲率半径を有する
球面波（この場合、発光素子からの発散光）と成るよう
に構成する。
【００３６】これは図２２（ａ），（ｂ）から分かるよ
うに、第２の回折格子Ｇ２にカイテン角φをつけても、
干渉２光束間の角度差θはあまり付かないが、２光束は
分離してしまう。このため、この方向に２光束が曲率半
径の小さい球面波となっていると、干渉縞が立ち易くな
り、干渉状態が不安定になってしまうが、平面波もしく
は、極めて大きな曲率半径を有する球面波（平面波と見
なせるほど極めて大きな曲率半径を有する球面波）であ
ると、２光束間の角度差θがあまり大きくならないの
で、干渉縞が立ちにくく、干渉状態が安定になる。
うに、第２の回折格子Ｇ２にカイテン角φをつけても、
干渉２光束間の角度差θはあまり付かないが、２光束は
分離してしまう。このため、この方向に２光束が曲率半
径の小さい球面波となっていると、干渉縞が立ち易くな
り、干渉状態が不安定になってしまうが、平面波もしく
は、極めて大きな曲率半径を有する球面波（平面波と見
なせるほど極めて大きな曲率半径を有する球面波）であ
ると、２光束間の角度差θがあまり大きくならないの
で、干渉縞が立ちにくく、干渉状態が安定になる。
【００３７】したがって、第１の回折格子Ｇ１の格子配
列方向に対して波面が略平面であると認められるような
大きな曲率半径を持った波面状態もしくはそれに近い曲
率半径を有する光束であると、干渉縞が立ちにくく、干
渉状態が安定する。
列方向に対して波面が略平面であると認められるような
大きな曲率半径を持った波面状態もしくはそれに近い曲
率半径を有する光束であると、干渉縞が立ちにくく、干
渉状態が安定する。
【００３８】また、第１の回折格子Ｇ１の格子線方向に
関して図３（ａ），（ｂ）より分かるように、λ／Ｐ＜
０．８の領域では、アジマス角ηに関わらず２光束の交
差位置Ｃはほぼ一定であるが、図２１（ａ），（ｂ）よ
り干渉２光束間の角度差θはアジマス角ηをつけると、
それに比例して付いてしまう。
関して図３（ａ），（ｂ）より分かるように、λ／Ｐ＜
０．８の領域では、アジマス角ηに関わらず２光束の交
差位置Ｃはほぼ一定であるが、図２１（ａ），（ｂ）よ
り干渉２光束間の角度差θはアジマス角ηをつけると、
それに比例して付いてしまう。
【００３９】これから発光源から射出した光束を集光す
る方向を第１の回折格子Ｇ１の格子線方向とし、集光位
置を干渉２光束の交差位置Ｃと同じ領域とすると、２光
束の波面が２光束間の角度差θが大きくとも関係なく重
なり合い、前記光路長１１，１２がアジマス角ηに関係
なく常に一定になる事と同じである。このため干渉縞が
立ちにくくなり、干渉状態が安定になる。
る方向を第１の回折格子Ｇ１の格子線方向とし、集光位
置を干渉２光束の交差位置Ｃと同じ領域とすると、２光
束の波面が２光束間の角度差θが大きくとも関係なく重
なり合い、前記光路長１１，１２がアジマス角ηに関係
なく常に一定になる事と同じである。このため干渉縞が
立ちにくくなり、干渉状態が安定になる。
【００４０】本実施例は、上記記述の理由により第１の
回折格子Ｇ１の格子配列方向には光源からの発散光と
し、できるだけ光束の曲率半径を大きく取り、格子線方
向には集束光とする事で、カイテン角、アジマス角に出
力が鈍感な取付易いエンコーダーを構成した例である。
回折格子Ｇ１の格子配列方向には光源からの発散光と
し、できるだけ光束の曲率半径を大きく取り、格子線方
向には集束光とする事で、カイテン角、アジマス角に出
力が鈍感な取付易いエンコーダーを構成した例である。
【００４１】実施例２．図５は本発明による光学式変位
センサを構成した実施例２を示す斜視図、図６はその光
路を示した上面図と側面図である。図５，図６におい
て、１は発光素子、３は受光素子、Ｇ２は分割された光
束を位相変調するためのスケールである第２の回折格
子、Ｇ３は光束を合成するための第３の回折格子、４は
発光素子１から射出された発散光束を集光させるための
シリンドリカルレンズとそのレンズ表面に光束を分割す
るための第１の回折格子Ｇ１が構成された光学素子であ
る。
センサを構成した実施例２を示す斜視図、図６はその光
路を示した上面図と側面図である。図５，図６におい
て、１は発光素子、３は受光素子、Ｇ２は分割された光
束を位相変調するためのスケールである第２の回折格
子、Ｇ３は光束を合成するための第３の回折格子、４は
発光素子１から射出された発散光束を集光させるための
シリンドリカルレンズとそのレンズ表面に光束を分割す
るための第１の回折格子Ｇ１が構成された光学素子であ
る。
【００４２】光学系の原理と基本的な構成は前記実施例
１と同じであり、発光素子１から射出された光束を、１
枚の光学素子４により光束を集光、分割している。
１と同じであり、発光素子１から射出された光束を、１
枚の光学素子４により光束を集光、分割している。
【００４３】本実施例２によれば、発光素子１より発光
された光束を集光、分割を行うレンズと第１の回折格子
Ｇ１が、シリンドリカルレンズとそのレンズ表面に第１
の回折格子Ｇ１が構成された光学素子が１つであるた
め、第１の回折格子Ｇ１、第３の回折格子Ｇ３が設けら
れた基盤上にモールド成形等で設ける事が可能となり、
構造が簡単で組立時の第１の回折格子Ｇ１の格子配置と
レンズとの位置合わせが不要な、組立易い小型ローコス
トの光学式変位センサとしてのエンコーダを構成する事
が可能となる。
された光束を集光、分割を行うレンズと第１の回折格子
Ｇ１が、シリンドリカルレンズとそのレンズ表面に第１
の回折格子Ｇ１が構成された光学素子が１つであるた
め、第１の回折格子Ｇ１、第３の回折格子Ｇ３が設けら
れた基盤上にモールド成形等で設ける事が可能となり、
構造が簡単で組立時の第１の回折格子Ｇ１の格子配置と
レンズとの位置合わせが不要な、組立易い小型ローコス
トの光学式変位センサとしてのエンコーダを構成する事
が可能となる。
【００４４】実施例３．図７は本発明による光学式変位
センサを構成した第２の実施例３を示す斜視図、図８は
その光路を示した上面図と側面図である。
センサを構成した第２の実施例３を示す斜視図、図８は
その光路を示した上面図と側面図である。
【００４５】図７，図８において、１は発光素子、３は
受光素子、Ｇ１は発光素子から射出された発散光束を第
３の回折格子Ｇ３の格子線方向にのみ集光し、この第３
の回折格子Ｇ３の格子配列方向に分割するためのホログ
ラム、Ｇ２は分割された光束を位相変調するためのスケ
ールである第２の回折格子、Ｇ３は光束を合成するため
の第３の回折格子である。
受光素子、Ｇ１は発光素子から射出された発散光束を第
３の回折格子Ｇ３の格子線方向にのみ集光し、この第３
の回折格子Ｇ３の格子配列方向に分割するためのホログ
ラム、Ｇ２は分割された光束を位相変調するためのスケ
ールである第２の回折格子、Ｇ３は光束を合成するため
の第３の回折格子である。
【００４６】光学系の原理と基本的な構成は前記実施例
１と同じであり、発光素子１から射出された光束を、１
枚の光学素子（ホログラム）により光束を集光、分割し
ている。
１と同じであり、発光素子１から射出された光束を、１
枚の光学素子（ホログラム）により光束を集光、分割し
ている。
【００４７】本実施例３によれば、集光、コリメートを
行うレンズと第１の回折格子Ｇ１が、１枚の光学素子
（ゾーンプレート）であるために、第１の回折格子Ｇ
１、第３の回折格子Ｇ３が設けられた基盤上にモールド
成形等で設ける事が可能となり、構造が簡単で組立時の
第１の回折格子Ｇ１の格子配置とレンズとの位置合わせ
が不要な、組立易い小型ローコストの光学式変位センサ
としてのエンコーダを構成する事が可能となる。
行うレンズと第１の回折格子Ｇ１が、１枚の光学素子
（ゾーンプレート）であるために、第１の回折格子Ｇ
１、第３の回折格子Ｇ３が設けられた基盤上にモールド
成形等で設ける事が可能となり、構造が簡単で組立時の
第１の回折格子Ｇ１の格子配置とレンズとの位置合わせ
が不要な、組立易い小型ローコストの光学式変位センサ
としてのエンコーダを構成する事が可能となる。
【００４８】実施例４．図９は請求項５の発明による光
学式変位センサを構成した実施例４を示す斜視図、図１
０はその光路を示した上面図と側面図であり、前記図
１，図２と同一部分には同一符号を付して重複説明を省
略する。図９，図１０において、４a は発光素子から射
出された光束を略平行光束にコリメートするコリメータ
ーレンズ４b は４a により平行にされた光束をＧ１の格
子の配列方向にのみ集光する為のシリンドリカルレンズ
である。
学式変位センサを構成した実施例４を示す斜視図、図１
０はその光路を示した上面図と側面図であり、前記図
１，図２と同一部分には同一符号を付して重複説明を省
略する。図９，図１０において、４a は発光素子から射
出された光束を略平行光束にコリメートするコリメータ
ーレンズ４b は４a により平行にされた光束をＧ１の格
子の配列方向にのみ集光する為のシリンドリカルレンズ
である。
【００４９】以下では本実施例４の原理を説明する。発
光素子１から射出した発散光束は、コリメータレンズ４
ａで略平行光にされさらに、シリンドリカルレンズ４ｂ
にて回折格子Ｇ１の格子線方向に集束され、回折格子
Ｇ１上の点Ｏ１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
し、０次回折光Ｒ０，+1次回折光Ｒ+1のみを利用するも
ので、他の動作は前記実施例１と同様であるので重複説
明を省略する。
光素子１から射出した発散光束は、コリメータレンズ４
ａで略平行光にされさらに、シリンドリカルレンズ４ｂ
にて回折格子Ｇ１の格子線方向に集束され、回折格子
Ｇ１上の点Ｏ１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
し、０次回折光Ｒ０，+1次回折光Ｒ+1のみを利用するも
ので、他の動作は前記実施例１と同様であるので重複説
明を省略する。
【００５０】実施例５．図１１は本発明による光学式変
位センサを構成した実施例５を示す斜視図、図１２はそ
の光路を示した上面図と側面図である。図１１，図１２
において、４Ｃは発光素子から射出された光束をＧ１の
格子配列方向には略平行光束にコリメートし、Ｇ１の格
子線方向には集光させるためのトーリックレンズであ
り、他の構成は前記図５，図６に示す実施例２と同じで
あるから、同一部分には同一符号を付して重複説明を省
略する。
位センサを構成した実施例５を示す斜視図、図１２はそ
の光路を示した上面図と側面図である。図１１，図１２
において、４Ｃは発光素子から射出された光束をＧ１の
格子配列方向には略平行光束にコリメートし、Ｇ１の格
子線方向には集光させるためのトーリックレンズであ
り、他の構成は前記図５，図６に示す実施例２と同じで
あるから、同一部分には同一符号を付して重複説明を省
略する。
【００５１】光学系の原理と基本的な構成は実施例１と
同じで、発光素子１から射出された光束を、１枚のレン
ズで集光、コリメートしている。
同じで、発光素子１から射出された光束を、１枚のレン
ズで集光、コリメートしている。
【００５２】本実施例５によれば、集光、コリメートを
行うレンズが、トーリックレンズ１つであるために、第
１の回折格子Ｇ１、第３の回折格子Ｇ３が設けられた基
盤上にモールド成形等で設ける事が可能となり、構造が
簡単で組立時の第１の回折格子Ｇ１の格子配置とレンズ
との位置合わせが不要とな、組立易い小型ローコストの
エンコーダを構成する事が可能となる。
行うレンズが、トーリックレンズ１つであるために、第
１の回折格子Ｇ１、第３の回折格子Ｇ３が設けられた基
盤上にモールド成形等で設ける事が可能となり、構造が
簡単で組立時の第１の回折格子Ｇ１の格子配置とレンズ
との位置合わせが不要とな、組立易い小型ローコストの
エンコーダを構成する事が可能となる。
【００５３】実施例６．発光素子１で発光された光束を
集光、コリメートを行う光学手段として、フレネルレン
ズ、２枚のシリンドリカルレンズ等の光学手段を用いて
も、上記実施例１〜５と同様な効果を得る事ができる。
集光、コリメートを行う光学手段として、フレネルレン
ズ、２枚のシリンドリカルレンズ等の光学手段を用いて
も、上記実施例１〜５と同様な効果を得る事ができる。
【００５４】
【発明の効果】以上のように、請求項１〜３の発明によ
れば、干渉光束を得るために光束を第１の回折格子で分
離し、その分離された内の２光束を第３の回折格子で合
成するまでの過程で第２の回折格子から前記第３の回折
格子までの分離された光路長の各々をＬ1 ，Ｌ2 とする
と、前記第１の回折格子もしくは前記第３の回折格子の
格子線の方向に関して、前記第１の回折格子から分離さ
れた光束の各々に沿って、光路長が（Ｌ1 ＋Ｌ2 ）／２
の位置に対応する領域において、光束が集束され、格子
配列方向には実質的な平行光と成る様に、光束の集束、
発散状態を変換する光学手段を前記投光手段に構成とし
たので、干渉光学系が非常にシンプルな構成で、構造が
簡単で部品点数が少なく組立が容易となりさらに、第１
の回折格子、第３の回折格子、シリンドリカルレンズを
同一基盤上に形成する事により、一段と部品点数が少な
くなり、ローコストで非常に小型化が可能である。
れば、干渉光束を得るために光束を第１の回折格子で分
離し、その分離された内の２光束を第３の回折格子で合
成するまでの過程で第２の回折格子から前記第３の回折
格子までの分離された光路長の各々をＬ1 ，Ｌ2 とする
と、前記第１の回折格子もしくは前記第３の回折格子の
格子線の方向に関して、前記第１の回折格子から分離さ
れた光束の各々に沿って、光路長が（Ｌ1 ＋Ｌ2 ）／２
の位置に対応する領域において、光束が集束され、格子
配列方向には実質的な平行光と成る様に、光束の集束、
発散状態を変換する光学手段を前記投光手段に構成とし
たので、干渉光学系が非常にシンプルな構成で、構造が
簡単で部品点数が少なく組立が容易となりさらに、第１
の回折格子、第３の回折格子、シリンドリカルレンズを
同一基盤上に形成する事により、一段と部品点数が少な
くなり、ローコストで非常に小型化が可能である。
【００５５】また、発光された光束を第１の回折格子の
格子線方向に集光し、その集光する領域を干渉２光束の
交差位置の領域と同じにし、格子配列方向には光源から
の発散光（曲率半径の極めて大きい球面波）とする事
で、スケールとヘッド部の取り付け角度誤差に干渉状態
の依存し光学系を構成する事が可能となり、取扱い易い
小型の光学式変位センサとしてのエンコーダを構成する
事ができる。
格子線方向に集光し、その集光する領域を干渉２光束の
交差位置の領域と同じにし、格子配列方向には光源から
の発散光（曲率半径の極めて大きい球面波）とする事
で、スケールとヘッド部の取り付け角度誤差に干渉状態
の依存し光学系を構成する事が可能となり、取扱い易い
小型の光学式変位センサとしてのエンコーダを構成する
事ができる。
【００５６】第４，５項の発明によれば、干渉光束を得
るために光束を第１の回折格子で分離し、その分離され
た内の２光束を第３の回折格子で合成するまでの過程
で、第２の回折格子から前記第３の回折格子までの分離
された光路長の各々をＬ1 、Ｌ2 とすると、前記第１の
回折格子の格子線の方向に関して、前記第１の回折格子
から分離された光束の各々に沿って、光路長が（Ｌ1 ＋
Ｌ2 ）／２の位置に対応する領域において、光束が集束
され、さらに前記第１の回折格子の格子配列方向におい
て、光束が略平行光（平面波）と見なせる様に、前記投
光手段を構成したので、少ない部品点数で組立が簡単と
なり、ローコストで小型化が可能であるとともに発光さ
れた光束を第１の回折格子の格子線方向に集光し、その
集光する領域を干渉２光束の交差位置の領域と同じに
し、格子配列方向には略平行光（略平面波）とすること
で、スケールとヘッド部の取り付け角度誤差に干渉状態
の依存し光学系を構成する事が可能となり、取扱い易い
小型の光学式変位センサとしてのエンコーダを構成する
ことができる。
るために光束を第１の回折格子で分離し、その分離され
た内の２光束を第３の回折格子で合成するまでの過程
で、第２の回折格子から前記第３の回折格子までの分離
された光路長の各々をＬ1 、Ｌ2 とすると、前記第１の
回折格子の格子線の方向に関して、前記第１の回折格子
から分離された光束の各々に沿って、光路長が（Ｌ1 ＋
Ｌ2 ）／２の位置に対応する領域において、光束が集束
され、さらに前記第１の回折格子の格子配列方向におい
て、光束が略平行光（平面波）と見なせる様に、前記投
光手段を構成したので、少ない部品点数で組立が簡単と
なり、ローコストで小型化が可能であるとともに発光さ
れた光束を第１の回折格子の格子線方向に集光し、その
集光する領域を干渉２光束の交差位置の領域と同じに
し、格子配列方向には略平行光（略平面波）とすること
で、スケールとヘッド部の取り付け角度誤差に干渉状態
の依存し光学系を構成する事が可能となり、取扱い易い
小型の光学式変位センサとしてのエンコーダを構成する
ことができる。
【図１】 本発明による光学式変位センサを構成した実
施例１を示す斜視図
施例１を示す斜視図
【図２】 実施例１の光路を示した上面図と側面図
【図３】 ヘッド部とスケール部がアジマス角の取り付
け誤差を生じたときの干渉２光束間の交差位置とアジマ
ス角と（波長／格子のピッチ）の関係を示した図
け誤差を生じたときの干渉２光束間の交差位置とアジマ
ス角と（波長／格子のピッチ）の関係を示した図
【図４】 ヘッド部とスケール部がカイテン角の取り付
け誤差を生じたときの干渉２光束間の交差位置とアジマ
ス角と（波長／格子のピッチ）の関係を示した図
け誤差を生じたときの干渉２光束間の交差位置とアジマ
ス角と（波長／格子のピッチ）の関係を示した図
【図５】 本発明による光学式変位センサを構成した実
施例２を示す斜視図
施例２を示す斜視図
【図６】 実施例２の光路を示した上面図と側面図
【図７】 本発明による光学式変位センサを構成した実
施例３を示す斜視図
施例３を示す斜視図
【図８】 実施例３の光路を示した上面図と側面図
【図９】 本発明による光学式変位センサを構成した実
施例４を示す斜視図
施例４を示す斜視図
【図１０】 実施例４の光路を示した上面図と側面図
【図１１】 本発明による光学式変位センサを構成した
実施例５を示す斜視図
実施例５を示す斜視図
【図１２】 実施例５の光路を示した上面図と側面図
【図１３】 従来の光学エンコーダの説明図
【図１４】 従来の他の光学エンコーダの説明図
【図１５】 従来のさらに他の光学エンコーダの説明図
【図１６】 アジマス角の方向を示した図
【図１７】 図１７はヘッド部とスケール部とのアジマ
ス角の取り付け誤差により干渉縞が生じた状態を示す図
ス角の取り付け誤差により干渉縞が生じた状態を示す図
【図１８】 カイテン角の方向を示した図
【図１９】 ヘッド部とスケール部とのカイテン角の取
り付け誤差により干渉縞が生じた状態を示す図
り付け誤差により干渉縞が生じた状態を示す図
【図２０】 平行波と球面波の干渉の違いを示した図
【図２１】 ヘッド部とスケール部がアジマス角の取り
付け誤差を生じたときの干渉２光束間の角度差とアジマ
ス角と（波長／格子のピッチ）の関係を示した図
付け誤差を生じたときの干渉２光束間の角度差とアジマ
ス角と（波長／格子のピッチ）の関係を示した図
【図２２】 ヘッド部とスケール部がカイテン角の取り
付け誤差を生じたときの干渉２光束間の角度差とアジマ
ス角と（波長／格子のピッチ）の関係を示した図
付け誤差を生じたときの干渉２光束間の角度差とアジマ
ス角と（波長／格子のピッチ）の関係を示した図
１ 発光素子 ３ 受光素子 Ｇ１ 光束を分割するための第１の回折格子 Ｇ２ 分割された光束を位相変調させる第２の回折格子 Ｇ３ 光束を合成するための第３の回折格子 Ｌ２ 第２の回折格子〜第３の回折格子もしくは、第１
の回折格子〜第２の回折格子までの回折格子を垂直にで
た光の光路長 Ｌ１ 第１の回折格子を１次回折した光の第１の回折格
子〜第２の回折格子までの光路長 Ｌ３ 第１の回折格子もしくは第３の回折格子からの集
光位置までの距離 １００ ヘッド部（投光手段） １０１ スケール部（変調手段）
の回折格子〜第２の回折格子までの回折格子を垂直にで
た光の光路長 Ｌ１ 第１の回折格子を１次回折した光の第１の回折格
子〜第２の回折格子までの光路長 Ｌ３ 第１の回折格子もしくは第３の回折格子からの集
光位置までの距離 １００ ヘッド部（投光手段） １０１ スケール部（変調手段）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 102 G01D 5/26 - 5/38
Claims (7)
- 【請求項１】 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および光束分割手段である第
１の回折格子から成る投光手段と、第２の回折格子が設
けられた光の変調手段と、前記変調手段からの変調光同
士を合成し、干渉光束を得る第３の回折格子および該干
渉光束を受光する受光素子から成る受光手段とを有する
光学式変位センサにおいて、前記干渉光束を得るために
前記光束を前記第１の回折格子で分離し、その分離され
た内の２光束を前記第３の回折格子で合成するまでの過
程で、前記第２の回折格子から前記第３の回折格子まで
の分離された光路長の各々をＬ1 ，Ｌ2 とすると、前記
第１の回折格子もしくは前記第３の回折格子の格子線の
方向に関して、前記第１の回折格子から分離された光束
の各々に沿って、光路長が（Ｌ1 ＋Ｌ2 ）／２の位置に
対応する領域において、光束が集束され、格子配列方向
には実質的な平行光と成る様に、前記投光手段を構成し
たことを特徴とする光学式変位センサ。 - 【請求項２】 前記第２の回折格子へ投光される集束位
置を該第２の回折格子近傍の位置に規定したことを特徴
とする請求項１の光学式変位センサ。 - 【請求項３】 前記第１の回折格子の格子の配列方向に
関して、光束の集束、発散状態を変換する前記光学手段
を前記投光手段に構成したことを特徴とする請求項１の
光学式変位センサ。 - 【請求項４】 前記投光手段に構成した前記光学手段
が、光束を分割する前記第１の回折格子と一体化されて
いることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかの光学
式変位センサ。 - 【請求項５】 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および光束分割手段である第
１の回折格子から成る投光手段と、第２の回折格子が設
けられた光の変調手段と、前記変調手段からの変調光同
士を合成し、干渉光束を得る第３の回折格子および該干
渉光束を受光する受光素子から成る受光手段とを有する
光学式変位センサにおいて、前記干渉光束を得るために
前記光束を前記第１の回折格子で分離し、その分離され
た内の２光束を前記第３の回折格子で合成するまでの過
程で、前記第２の回折格子から前記第３の回折格子まで
の分離された光路長の各々をＬ1 ，Ｌ2 とすると、前記
第１の回折格子の格子線の方向に関して、前記第１の回
折格子から分離された光束の各々に沿って、光路長が
（Ｌ1 ＋Ｌ2 ）／２の位置に対応する領域において、光
束が集束され、さらに前記第１の回折格子の格子配列方
向において、光束が略平行光と見なせる様に、前記投光
手段を構成したことを特徴とする光学式変位センサ。 - 【請求項６】 前記第２の回折格子へ投光される集束位
置を該第２の回折格子近傍の位置に規定したことを特徴
とする請求項１の光学式変位センサ。 - 【請求項７】 回折格子が形成されたスケール手段との
間の相対変位情報を測定するための装置であって、光源
手段と、該光源手段からの光束を複数光束に分離する分
離手段と、該分離手段によって分離された複数光束それ
ぞれの前記回折格子による回折光を合波する合波手段
と、該合波手段によって合波された複数光束による干渉
光を受光する受光手段と、前記複数光束を前記分離手段
の光束分離方向には平行な状態とし、該光束分離方向に
垂直な方向には前記分離手段から前記合波手段までの光
路中において集光させるための光学手段とを有し、前記
受光手段の受光によって前記スケール手段との間の相対
変位情報が得られることを特徴とする光学式変位セン
サ。
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|---|---|---|---|
| JP5265764A JP3028716B2 (ja) | 1993-09-29 | 1993-09-29 | 光学式変位センサ |
| US08/311,854 US5621527A (en) | 1993-09-29 | 1994-09-26 | Apparatus for measuring relative displacement between the apparatus and a scale which a grating is formed |
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| EP94115261A EP0645608B1 (en) | 1993-09-29 | 1994-09-28 | Optical type displacement sensor |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5265764A JP3028716B2 (ja) | 1993-09-29 | 1993-09-29 | 光学式変位センサ |
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|---|---|
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Family
ID=17421701
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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| US6631047B2 (en) | 1997-09-22 | 2003-10-07 | Canon Kabushiki Kaisha | Interference device, position detecting device, positioning device and information recording apparatus using the same |
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- 1993-09-29 JP JP5265764A patent/JP3028716B2/ja not_active Expired - Lifetime
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1994
- 1994-09-26 US US08/311,854 patent/US5621527A/en not_active Expired - Lifetime
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