JP3082516B2 - 光学式変位センサおよび該光学式変位センサを用いた駆動システム - Google Patents
光学式変位センサおよび該光学式変位センサを用いた駆動システムInfo
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-
- 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
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光を物体に照射して光
学的手段によって該物体の変位や速度などの物理量を検
出する光学式変位センサおよび該光学式変位センサを用
いた駆動システムに関するものである。
学的手段によって該物体の変位や速度などの物理量を検
出する光学式変位センサおよび該光学式変位センサを用
いた駆動システム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、たとえば、光学式エンコーダ、レーザー干渉計など
が、ＮＣ工作機械、ＯＡ機器、ロボット、精密製造装置
などの分野で広く利用されている。
て、たとえば、光学式エンコーダ、レーザー干渉計など
が、ＮＣ工作機械、ＯＡ機器、ロボット、精密製造装置
などの分野で広く利用されている。
【０００３】図１６は本出願人が開発し特願平３−３３
８５９６号に記載した光学式変位センサを示す構成図で
ある。
８５９６号に記載した光学式変位センサを示す構成図で
ある。
【０００４】図において、半導体レーザや発光ダイオー
ドなどの発光素子１０１から放射された光は、光束がレ
ンズ１０２で変換されたのち回折格子１０３Ａに入射さ
れる。この光束は回折格子１０３Ａで透過回折され、０
次回折光Ｒ0 ，＋１次回折光Ｒ+1 ，−１次回折光Ｒ-1
の３つを含む複数本の光束に分割されて、スケール１１
１上に形成された回折格子１１２に照射される。なお、
回折格子１０３Ａ，と後述する回折格子１０３Ｂ，１０
３Ｃとスケール１１１上の回折格子１１２は、同一ピッ
チ（たとえば１．６μｍ）に設定されている。
ドなどの発光素子１０１から放射された光は、光束がレ
ンズ１０２で変換されたのち回折格子１０３Ａに入射さ
れる。この光束は回折格子１０３Ａで透過回折され、０
次回折光Ｒ0 ，＋１次回折光Ｒ+1 ，−１次回折光Ｒ-1
の３つを含む複数本の光束に分割されて、スケール１１
１上に形成された回折格子１１２に照射される。なお、
回折格子１０３Ａ，と後述する回折格子１０３Ｂ，１０
３Ｃとスケール１１１上の回折格子１１２は、同一ピッ
チ（たとえば１．６μｍ）に設定されている。
【０００５】直進した０次回折光Ｒ0 は、回折格子１１
２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 などに分割されてそれぞれ位相変
調される。スケール１１１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、−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１１２の移動量、Ｐは回折格子１１２のピッ
チである。
２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 などに分割されてそれぞれ位相変
調される。スケール１１１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、−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１１２の移動量、Ｐは回折格子１１２のピッ
チである。
【０００６】上記＋１次回折光Ｒ0 +1 は、回折格子１０
３Ｂ１，１０３Ｂ２にて再度透過回折されて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に
分割される。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、この波面の位相は＋２πｘ／
Ｐとなる。
３Ｂ１，１０３Ｂ２にて再度透過回折されて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に
分割される。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、この波面の位相は＋２πｘ／
Ｐとなる。
【０００７】また、−１次回折光Ｒ0 -1 は回折格子１０
３Ｃ１，１０３Ｃ２にて透過回折されて、０次回折光Ｒ
0 -1 0 ，＋１次回折光Ｒ0 -1 +1 などに分割される。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、この時の波面の位相は−２πｘ／Ｐとなる。
３Ｃ１，１０３Ｃ２にて透過回折されて、０次回折光Ｒ
0 -1 0 ，＋１次回折光Ｒ0 -1 +1 などに分割される。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、この時の波面の位相は−２πｘ／Ｐとなる。
【０００８】ここで、回折格子１０３Ｃ１を１０３Ｂ１
に対して格子配列の位相関係をＰ／４だけずられておけ
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。また、回折格子１０３Ｂ２と１０３Ｃ２
は、回折格子１０３Ｂ１，１０３Ｃ１に対して格子配列
を、それぞれＰ／２だけずらしておくと、各波面の位相
は次のようになる。
に対して格子配列の位相関係をＰ／４だけずられておけ
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。また、回折格子１０３Ｂ２と１０３Ｃ２
は、回折格子１０３Ｂ１，１０３Ｃ１に対して格子配列
を、それぞれＰ／２だけずらしておくと、各波面の位相
は次のようになる。
【０００９】１０３Ｂ１ ： −２πｘ／Ｐ １０３Ｂ２ ： −２πｘ／Ｐ−π １０３Ｃ１ ： −２πｘ／Ｐ−π／２ １０３Ｃ２ ： −２πｘ／Ｐ−３π／２ 一方、回折格子１０３Ａにて＋１次回折した光束Ｒ
+1は、スケール上の回折格子１１２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。
+1は、スケール上の回折格子１１２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。
【００１０】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１０３Ｂ１，１０３Ｂ２
に入射し、そこでそのまま直進した０次回折光Ｒ+1 -1 0
の波面の位相は−２πｘ／Ｐである。
２πｘ／Ｐだけずれて回折格子１０３Ｂ１，１０３Ｂ２
に入射し、そこでそのまま直進した０次回折光Ｒ+1 -1 0
の波面の位相は−２πｘ／Ｐである。
【００１１】また、回折格子１０３Ａにて−１次回折し
た光束Ｒ-1は、スケール上の回折格子１１２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
格子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１０３Ｃ１，１０３Ｃ
２に入射し、そこでそのまま直進した０次回折光Ｒ-1 +1
0 の波面の位相は＋πｘ／Ｐである。
た光束Ｒ-1は、スケール上の回折格子１１２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
格子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１０３Ｃ１，１０３Ｃ
２に入射し、そこでそのまま直進した０次回折光Ｒ-1 +1
0 の波面の位相は＋πｘ／Ｐである。
【００１２】回折格子１０３Ｂ１，１０３Ｂ２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、受光素子１０４Ｂ１，１０４Ｂ２に入射す
る。このとき１０４Ｂ１，１０４Ｂ２に入射する光の干
渉位相は、それぞれ、 （＋２πｘ／Ｐ）−（−２πｘ／Ｐ）＝４πｘ／Ｐ （−２πｘ／Ｐ−π）−（＋２πｘ／Ｐ）＝−４πｘ／
Ｐ−πとなり、スケール１１１上の回折格子１１２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。受光素子１０４Ｂ２には受光素子１０４Ｂ１の位相
を反転させた信号を得ることができる。回折格子のピッ
チが１．６μｍならば、１周期０．８μｍの正弦波信号
が得られる。
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、受光素子１０４Ｂ１，１０４Ｂ２に入射す
る。このとき１０４Ｂ１，１０４Ｂ２に入射する光の干
渉位相は、それぞれ、 （＋２πｘ／Ｐ）−（−２πｘ／Ｐ）＝４πｘ／Ｐ （−２πｘ／Ｐ−π）−（＋２πｘ／Ｐ）＝−４πｘ／
Ｐ−πとなり、スケール１１１上の回折格子１１２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。受光素子１０４Ｂ２には受光素子１０４Ｂ１の位相
を反転させた信号を得ることができる。回折格子のピッ
チが１．６μｍならば、１周期０．８μｍの正弦波信号
が得られる。
【００１３】回折格子１０３Ｃ１，１０３Ｃ２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、受光素子１０４Ｃ１，１０４Ｃ２に入射す
る。このとき１０４Ｃ１，１０４Ｃ２に入射する光の干
渉位相は、それぞれ、 （−２πｘ／Ｐ−π／２）−（＋２πｘ／Ｐ）＝−４π
ｘ／Ｐ−π／２ （−２πｘ／Ｐ−３π／２）−（＋２πｘ／Ｐ）＝−４
πｘ／Ｐ−３π／２となり、スケール１１１上の回折格
子１１２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、受光素子１０４Ｂ１，１０４Ｂ２とは明暗
のタイミングが各々１／４周期だけずれる。
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、受光素子１０４Ｃ１，１０４Ｃ２に入射す
る。このとき１０４Ｃ１，１０４Ｃ２に入射する光の干
渉位相は、それぞれ、 （−２πｘ／Ｐ−π／２）−（＋２πｘ／Ｐ）＝−４π
ｘ／Ｐ−π／２ （−２πｘ／Ｐ−３π／２）−（＋２πｘ／Ｐ）＝−４
πｘ／Ｐ−３π／２となり、スケール１１１上の回折格
子１１２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、受光素子１０４Ｂ１，１０４Ｂ２とは明暗
のタイミングが各々１／４周期だけずれる。
【００１４】すなわち、２信号の差を求める差動回路１
０５Ｂ，１０５Ｃを通した端子Ａおよび端子Ｂには、回
折格子の相対移動に対応して周期変化する通常Ａ相信
号、Ｂ相信号とよばれる互いに１／４周期ずれた周期信
号としてのエンコーダ信号を得ることができる。
０５Ｂ，１０５Ｃを通した端子Ａおよび端子Ｂには、回
折格子の相対移動に対応して周期変化する通常Ａ相信
号、Ｂ相信号とよばれる互いに１／４周期ずれた周期信
号としてのエンコーダ信号を得ることができる。
【００１５】このＡ相とＢ相の信号を用いれば、従来、
よく知られている手法で回折格子の相対的な移動量と移
動方向が計測できる。
よく知られている手法で回折格子の相対的な移動量と移
動方向が計測できる。
【００１６】以上のようにして、スケール１１１の変位
に伴い、受光素子１０４Ｂ１，１０４Ｂ２，１０４Ｃ
１，１０４Ｃ２から１／４周期ずつずれた周期信号が得
られる。これをもとに、公知の信号処理回路（図示せ
ず）を用いて、センサ部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。
に伴い、受光素子１０４Ｂ１，１０４Ｂ２，１０４Ｃ
１，１０４Ｃ２から１／４周期ずつずれた周期信号が得
られる。これをもとに、公知の信号処理回路（図示せ
ず）を用いて、センサ部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。
【００１７】なお、回折格子１１１と受光素子１０４Ｂ
１，１０４Ｂ２，１０４Ｃ１，１０４Ｃ２間の距離や光
束の状況（発散・収束状況）によっては、適宜レンズを
省略したり追加したりすることもできる。
１，１０４Ｂ２，１０４Ｃ１，１０４Ｃ２間の距離や光
束の状況（発散・収束状況）によっては、適宜レンズを
省略したり追加したりすることもできる。
【００１８】回折格子１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｃ
は、通常、一枚の透明板（たとえばガラス基板）上にレ
プリカ製法やフォトエッチングにより構成される。図示
例の場合、回折格子１１２を含むスケール１１１以外の
部分（センサ部）は、一つのケース内に構成され、通常
「ヘッド」と呼ばれている。
は、通常、一枚の透明板（たとえばガラス基板）上にレ
プリカ製法やフォトエッチングにより構成される。図示
例の場合、回折格子１１２を含むスケール１１１以外の
部分（センサ部）は、一つのケース内に構成され、通常
「ヘッド」と呼ばれている。
【００１９】
【発明が解決しようとしている課題】本発明は上述のよ
うな装置の改良発明であり、特に簡易構成で２軸を同時
に検出する光学式変位センサ及びこれを用いた駆動シス
テムを得ることができる。
うな装置の改良発明であり、特に簡易構成で２軸を同時
に検出する光学式変位センサ及びこれを用いた駆動シス
テムを得ることができる。
【００２０】また、本発明は特に信号間で振幅に差が生
じたり、位相差が変動したりすることを防止し、さらに
両側の回折格子間の位置精度の要求を緩和する光学式変
位センサおよび該光学式変位センサを用いた駆動システ
ムを得ることを目的とする。
じたり、位相差が変動したりすることを防止し、さらに
両側の回折格子間の位置精度の要求を緩和する光学式変
位センサおよび該光学式変位センサを用いた駆動システ
ムを得ることを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る光
学式変位センサは、相対変位物体に取り付けられ２軸方
向に回折格子が形成されたスケールに、発光素子から出
射した光を各軸方向において複数光束に分割して照射さ
せる第一の光学手段と、前記回折格子に照射されて変調
を受けた前記複数光束を軸別に異なる位置で合成して各
軸毎に干渉光束を得る第二の光学手段と、前記各軸毎の
干渉光束をそれぞれ検出する複数の受光素子とを備えた
ことにより、１組のスケールとヘッドによって、ＸＹ２
軸の変位を検出することができる。
学式変位センサは、相対変位物体に取り付けられ２軸方
向に回折格子が形成されたスケールに、発光素子から出
射した光を各軸方向において複数光束に分割して照射さ
せる第一の光学手段と、前記回折格子に照射されて変調
を受けた前記複数光束を軸別に異なる位置で合成して各
軸毎に干渉光束を得る第二の光学手段と、前記各軸毎の
干渉光束をそれぞれ検出する複数の受光素子とを備えた
ことにより、１組のスケールとヘッドによって、ＸＹ２
軸の変位を検出することができる。
【００２２】請求項２の発明に係る光学式変位センサ
は、相対変位物体に取り付けられ２軸方向に回折格子が
形成されたスケールに、発光素子から出射した光を各軸
方向において複数光束に分割して照射させる第一の光学
手段と、前記回折格子に照射されて変調を受けた前記複
数光束を合成して各軸毎に干渉光束を得る第二の光学手
段と、前記各軸毎の干渉光束をそれぞれ検出する複数の
受光素子とを備え、前記第二の光学手段は、前記干渉光
束のうち各軸１組の特定された干渉光束の領域内を特定
ピッチだけずらして分割配置され、この分割配置された
前記第二の光学手段にそれぞれ対応して前記受光素子が
配置されていることにより、１枚のスケールと１個のヘ
ッドに依って、ＸＹ２軸の変位を安定して検出できる。
は、相対変位物体に取り付けられ２軸方向に回折格子が
形成されたスケールに、発光素子から出射した光を各軸
方向において複数光束に分割して照射させる第一の光学
手段と、前記回折格子に照射されて変調を受けた前記複
数光束を合成して各軸毎に干渉光束を得る第二の光学手
段と、前記各軸毎の干渉光束をそれぞれ検出する複数の
受光素子とを備え、前記第二の光学手段は、前記干渉光
束のうち各軸１組の特定された干渉光束の領域内を特定
ピッチだけずらして分割配置され、この分割配置された
前記第二の光学手段にそれぞれ対応して前記受光素子が
配置されていることにより、１枚のスケールと１個のヘ
ッドに依って、ＸＹ２軸の変位を安定して検出できる。
【００２３】請求項７の発明に係る駆動システムは、相
対変位物体に取り付けられ２軸方向に回折格子が形成さ
れたスケールと、発光素子から出射した光を各軸方向に
おいて複数光束に分割させる第一の光学手段と、前記回
折格子に照射されて変調を受けた前記複数光束を軸別に
異なる位置で合成して各軸毎に干渉光束を得る第二の光
学手段と、前記各軸毎の干渉光束をそれぞれ検出する複
数の受光素子と、前記物体を変位させる駆動手段と、前
記受光素子の出力に基づいて前記駆動手段を制御する制
御手段とを備えたことにより、１つの光学式変位センサ
で２軸の変位が検出でき、各軸ごとに設ける場合に比べ
て装置の小型軽量化を図ることができる。
対変位物体に取り付けられ２軸方向に回折格子が形成さ
れたスケールと、発光素子から出射した光を各軸方向に
おいて複数光束に分割させる第一の光学手段と、前記回
折格子に照射されて変調を受けた前記複数光束を軸別に
異なる位置で合成して各軸毎に干渉光束を得る第二の光
学手段と、前記各軸毎の干渉光束をそれぞれ検出する複
数の受光素子と、前記物体を変位させる駆動手段と、前
記受光素子の出力に基づいて前記駆動手段を制御する制
御手段とを備えたことにより、１つの光学式変位センサ
で２軸の変位が検出でき、各軸ごとに設ける場合に比べ
て装置の小型軽量化を図ることができる。
【００２４】請求項８の発明に係る駆動システムは、相
対変位物体に取り付けられ２軸方向に回折格子が形成さ
れたスケールと、発光素子から出射した光を各軸方向に
おいて複数光束に分割させる第一の光学手段と、前記回
折格子に照射されて変調を受けた前記複数光束を合成し
て各軸毎に干渉光束を得る第二の光学手段と、前記各軸
毎の干渉光束をそれぞれ検出する複数の受光素子と、前
記物体を変位させる駆動手段と、前記受光素子の出力に
基づいて前記駆動手段を制御する制御手段とを備え、前
記第二の光学手段は、前記干渉光束のうち各軸１組の特
定された干渉光束の領域内を特定ピッチだけずらして分
割配置され、この分割配置された前記第二の光学手段に
それぞれ対応して前記受光素子が配置されていることに
より、請求項２及び７の発明と同様の効果がある。
対変位物体に取り付けられ２軸方向に回折格子が形成さ
れたスケールと、発光素子から出射した光を各軸方向に
おいて複数光束に分割させる第一の光学手段と、前記回
折格子に照射されて変調を受けた前記複数光束を合成し
て各軸毎に干渉光束を得る第二の光学手段と、前記各軸
毎の干渉光束をそれぞれ検出する複数の受光素子と、前
記物体を変位させる駆動手段と、前記受光素子の出力に
基づいて前記駆動手段を制御する制御手段とを備え、前
記第二の光学手段は、前記干渉光束のうち各軸１組の特
定された干渉光束の領域内を特定ピッチだけずらして分
割配置され、この分割配置された前記第二の光学手段に
それぞれ対応して前記受光素子が配置されていることに
より、請求項２及び７の発明と同様の効果がある。
【００２５】
実施例１ 図１は、本発明の光学的変位センサの実施例１を示す構
成図である。図１において、回折格子３Ａおよびスケー
ル２０上に形成された回折格子２１は、直交した２軸方
向に回折するグレーティングを有している。
成図である。図１において、回折格子３Ａおよびスケー
ル２０上に形成された回折格子２１は、直交した２軸方
向に回折するグレーティングを有している。
【００２６】また、回折格子３Ｄ，３Ｅは回折格子３Ａ
を挟んで回折格子３Ｂ，３Ｃと直交軸上に配設されてい
る。４Ｄ，４Ｅは受光素子であり、回折格子３Ｄ１，３
Ｄ２，３Ｅ１，３Ｅ２に対応した受光面４Ｄ１，４Ｄ
２，４Ｅ１，４Ｅ２に分割されている。動作に必要な光
路は矢印の付いた直線で示しているが、煩雑になるた
め、光束については回折格子３Ａおよび回折格子２１上
にのみ示している。
を挟んで回折格子３Ｂ，３Ｃと直交軸上に配設されてい
る。４Ｄ，４Ｅは受光素子であり、回折格子３Ｄ１，３
Ｄ２，３Ｅ１，３Ｅ２に対応した受光面４Ｄ１，４Ｄ
２，４Ｅ１，４Ｅ２に分割されている。動作に必要な光
路は矢印の付いた直線で示しているが、煩雑になるた
め、光束については回折格子３Ａおよび回折格子２１上
にのみ示している。
【００２７】５Ｂ〜５Ｅはそれぞれ受光面４Ｂ１と４Ｂ
２，４Ｃ１と４Ｃ２，４Ｄ１と４Ｄ２，４Ｅ１と４Ｅ２
の差を出力する差動回路であり、この差動回路５Ｂ〜５
Ｅの出力は端子ＡX ，ＢX ，ＡY ，ＢY に接続されてい
る。
２，４Ｃ１と４Ｃ２，４Ｄ１と４Ｄ２，４Ｅ１と４Ｅ２
の差を出力する差動回路であり、この差動回路５Ｂ〜５
Ｅの出力は端子ＡX ，ＢX ，ＡY ，ＢY に接続されてい
る。
【００２８】なお、通常、回折格子３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，
３Ｄ，３Ｅは、一枚の透明板上に構成されており、この
各回折格子３Ａ〜３Ｅとスケール２０上の回折格子２１
は、同一ピッチ（たとえば１．６μｍ）に設定されてい
る。そして、回折格子２１はレプリカ製法やフォトエッ
チングなどで、精度良く形成することができ、回折格子
３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ，３Ｅも同様の手法で容易に高
精度で形成可能である。
３Ｄ，３Ｅは、一枚の透明板上に構成されており、この
各回折格子３Ａ〜３Ｅとスケール２０上の回折格子２１
は、同一ピッチ（たとえば１．６μｍ）に設定されてい
る。そして、回折格子２１はレプリカ製法やフォトエッ
チングなどで、精度良く形成することができ、回折格子
３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ，３Ｅも同様の手法で容易に高
精度で形成可能である。
【００２９】次に動作について説明する。半導体レーザ
や発光ダイオードなどの発光素子１から放射された光
は、レンズ２で光束に変換されて回折格子３Ａに入射さ
れる。この光束は回折格子３Ａで透過回折され、０次回
折光Ｒ0 ，Ｘ軸方向の＋１次回折光ＲＸ+1 ，Ｙ軸方向
の−１次回折光ＲＹ-1の３つを含む複数本の光束に分割
されて、スケール２０上に形成された回折格子２１の各
点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５に照射される。
や発光ダイオードなどの発光素子１から放射された光
は、レンズ２で光束に変換されて回折格子３Ａに入射さ
れる。この光束は回折格子３Ａで透過回折され、０次回
折光Ｒ0 ，Ｘ軸方向の＋１次回折光ＲＸ+1 ，Ｙ軸方向
の−１次回折光ＲＹ-1の３つを含む複数本の光束に分割
されて、スケール２０上に形成された回折格子２１の各
点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５に照射される。
【００３０】ここで、０次回折光Ｒ0 およびＸ軸方向の
回折光ＲＸ+1 ，ＲＸ-1の光路についてみれば、前述の
装置の構成と同一であり、上記にて説明した通りの動作
が得られ、端子ＡX ，ＢXよりＸ方向の移動に対応した
Ａ相，Ｂ相，Ｃ相信号が得られる。また、０次回折光Ｒ
0 およびＹ軸方向の回折光ＲＹ+1 ，ＲＹ-1の光路につ
いても前述と変わるところがなく、全て同様の動作が得
られることになり、端子ＡY ，ＢYよりＹ方向の移動に
対応したＡ相，Ｂ相，Ｃ相信号が得られる。
回折光ＲＸ+1 ，ＲＸ-1の光路についてみれば、前述の
装置の構成と同一であり、上記にて説明した通りの動作
が得られ、端子ＡX ，ＢXよりＸ方向の移動に対応した
Ａ相，Ｂ相，Ｃ相信号が得られる。また、０次回折光Ｒ
0 およびＹ軸方向の回折光ＲＹ+1 ，ＲＹ-1の光路につ
いても前述と変わるところがなく、全て同様の動作が得
られることになり、端子ＡY ，ＢYよりＹ方向の移動に
対応したＡ相，Ｂ相，Ｃ相信号が得られる。
【００３１】すなわち、この構成においては、スケール
２０上の回折格子２１とヘッド部の相対的な変位をＸＹ
２軸同時に検出することができる。つまり、相対的な変
位を、１組のスケールとヘッドで、２次元的に同時に求
めることができる。
２０上の回折格子２１とヘッド部の相対的な変位をＸＹ
２軸同時に検出することができる。つまり、相対的な変
位を、１組のスケールとヘッドで、２次元的に同時に求
めることができる。
【００３２】したがって、光源、回折格子、受光素子な
どを小さくまとめることにより、小型で高精度な２軸変
位センサを実現することができる。信号処理による移動
量、移動方向検出は不図示の信号処理装置で行われる。
どを小さくまとめることにより、小型で高精度な２軸変
位センサを実現することができる。信号処理による移動
量、移動方向検出は不図示の信号処理装置で行われる。
【００３３】次に、各部品を組み込んだ状態の具体例を
図２乃至図４に示す。図２は２軸変位センサをスケール
側から見た平面図、図３と図４はＸＹ軸方向について示
したヘッドの中央付近を通る断面図であり、前記図１と
同一部分には同一符号を付して重複説明を省略する。な
お、図が煩雑になるのを避けるため、スケール２０上の
回折格子２１の大部分および電気的配線については省略
している。
図２乃至図４に示す。図２は２軸変位センサをスケール
側から見た平面図、図３と図４はＸＹ軸方向について示
したヘッドの中央付近を通る断面図であり、前記図１と
同一部分には同一符号を付して重複説明を省略する。な
お、図が煩雑になるのを避けるため、スケール２０上の
回折格子２１の大部分および電気的配線については省略
している。
【００３４】図２乃至図４において、光源１は、たとえ
ば半導体レーザーであり、チップがステム１Ａ上に搭載
され、キャップ１Ｃとカバーガラス１Ｂにより封止され
ている。このケース入り半導体レーザーはホルダ１１に
取り付けられている。
ば半導体レーザーであり、チップがステム１Ａ上に搭載
され、キャップ１Ｃとカバーガラス１Ｂにより封止され
ている。このケース入り半導体レーザーはホルダ１１に
取り付けられている。
【００３５】１２はガラスエポキシ樹脂やセラミック製
などの回路基板であり、中央には光束を通過させるため
の穴１２ａを設け、その裏面側にはレンズ２が取り付け
られている。回路基板１２の表面には受光素子４Ｂ，４
Ｃ，４Ｄ，４Ｅ（各々受光面が２分割された素子）が実
装され、この回路基板１２は上記ホルダ１１に接着など
の方法で取り付けられている。
などの回路基板であり、中央には光束を通過させるため
の穴１２ａを設け、その裏面側にはレンズ２が取り付け
られている。回路基板１２の表面には受光素子４Ｂ，４
Ｃ，４Ｄ，４Ｅ（各々受光面が２分割された素子）が実
装され、この回路基板１２は上記ホルダ１１に接着など
の方法で取り付けられている。
【００３６】回路基板１２の外周付近にはスペーサ１３
が貼り付けられ、透明板１４が取り付けられている。こ
の透明板１４上には回折格子３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ，
３Ｅがレプリカ製法やフォトエッチングなどのよって構
成されている。そして、所定距離を隔てて、スケール２
０上の回折格子２１が配置される。
が貼り付けられ、透明板１４が取り付けられている。こ
の透明板１４上には回折格子３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ，
３Ｅがレプリカ製法やフォトエッチングなどのよって構
成されている。そして、所定距離を隔てて、スケール２
０上の回折格子２１が配置される。
【００３７】このように構成することにより、非常に小
型の２軸変位センサを実現することができる。光源１の
パッケージサイズ（たとえばステム最大径５．６ｍｍ）
から、ヘッドの寸法として１０ｍｍ立方以下に抑えるこ
とも比較的容易であることが想定できる。
型の２軸変位センサを実現することができる。光源１の
パッケージサイズ（たとえばステム最大径５．６ｍｍ）
から、ヘッドの寸法として１０ｍｍ立方以下に抑えるこ
とも比較的容易であることが想定できる。
【００３８】上記実施例１の２軸変位センサは、 ３組の回折格子（３Ａ，２１，３Ｂまたは３Ｃあるい
は、３Ａ，２１，３Ｄまたは３Ｅ）を使用しているの
で、光源１の波長が変動して回折角が変化しても、再度
の回折で逆向きに補正され、回折格子３Ｂ，３Ｃ，３
Ｄ，３Ｅから受光素子４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ，４Ｅに向けて
射出される光束の角度は常に一定に保たれ、２光束の重
なり状態や進行方位の相互差が保存されるので、光源１
として波長変動が不可避な半導体発光素子を温度補償な
しで使用することができる。
は、３Ａ，２１，３Ｄまたは３Ｅ）を使用しているの
で、光源１の波長が変動して回折角が変化しても、再度
の回折で逆向きに補正され、回折格子３Ｂ，３Ｃ，３
Ｄ，３Ｅから受光素子４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ，４Ｅに向けて
射出される光束の角度は常に一定に保たれ、２光束の重
なり状態や進行方位の相互差が保存されるので、光源１
として波長変動が不可避な半導体発光素子を温度補償な
しで使用することができる。
【００３９】回折格子２１と他の回折格子３Ａ〜３Ｅ
との平行度が多少ずれていても、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
差が保存されやすい。したがって、スケールやヘッドの
取り付け精度が厳しくなく、非常に使いやすい変位セン
サが実現できる。
との平行度が多少ずれていても、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
差が保存されやすい。したがって、スケールやヘッドの
取り付け精度が厳しくなく、非常に使いやすい変位セン
サが実現できる。
【００４０】位相差を持った信号を得るためには、回
折格子３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ，３Ｅで位相をずらせておけば
よく、わざわざ分割光学系を用いる必要がない。
折格子３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ，３Ｅで位相をずらせておけば
よく、わざわざ分割光学系を用いる必要がない。
【００４１】スケール２０上の回折格子２１のピッチ
が細かい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空間的に十分分離できるので、小
型化しやすい。などの特徴を有している。
が細かい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空間的に十分分離できるので、小
型化しやすい。などの特徴を有している。
【００４２】上記実施例１では、光源１からの出射光を
コリメートするためにのみレンズが使用されているが、
受光素子のサイズに合わせるために、回折格子３Ｂ，３
Ｃ，３Ｄ，３Ｅと受光素子４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ，４Ｅの間
にレンズを使用することもできる。また、ヘッドの取り
付け許容度を広げるために技術を適用することができ
る。
コリメートするためにのみレンズが使用されているが、
受光素子のサイズに合わせるために、回折格子３Ｂ，３
Ｃ，３Ｄ，３Ｅと受光素子４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ，４Ｅの間
にレンズを使用することもできる。また、ヘッドの取り
付け許容度を広げるために技術を適用することができ
る。
【００４３】実施例２．各受光素子４Ｂ〜４Ｅおよび光
源１を同一基板上に実装することにより、ヘッドの奥行
を短くすることができ、より一層小型化をはかることが
できる。
源１を同一基板上に実装することにより、ヘッドの奥行
を短くすることができ、より一層小型化をはかることが
できる。
【００４４】図５乃至図７はその一例を示すもので、図
５は平面図、図６と図７はＸＹ軸方向について示したヘ
ッドの中央付近を通る断面図である。
５は平面図、図６と図７はＸＹ軸方向について示したヘ
ッドの中央付近を通る断面図である。
【００４５】光源１にはＬＥＤを使用し、レンズ２は透
明板１４の裏側に形成している。このレンズ２もレプリ
カ製法で形成すると安価に製造できる。スペーサ１３の
形状を実施例１のものから変更し、光源１から受光素子
４Ｂ〜４Ｅへの直接光の影響を排除するために、光源１
と受光素子４Ｂ〜４Ｅとの間にも設けて遮光作用を持た
せている。このように構成することにより、ヘッド形状
をさらに薄型化することができる。
明板１４の裏側に形成している。このレンズ２もレプリ
カ製法で形成すると安価に製造できる。スペーサ１３の
形状を実施例１のものから変更し、光源１から受光素子
４Ｂ〜４Ｅへの直接光の影響を排除するために、光源１
と受光素子４Ｂ〜４Ｅとの間にも設けて遮光作用を持た
せている。このように構成することにより、ヘッド形状
をさらに薄型化することができる。
【００４６】実施例３．図８は本発明の光学的変位セン
サの実施例３を示す構成図である。図８において、回折
格子３Ａおよびスケール２０上の回折格子２１は、直交
した２軸方向に回折するグレーティングを有している。
また、回折格子３Ｄは回折格子３Ｃと直交した回折格子
であり、この回折格子３Ｃおよび３Ｄは領域内をそれぞ
れ４分割し、所定のピッチだけずらして配置されてい
る。
サの実施例３を示す構成図である。図８において、回折
格子３Ａおよびスケール２０上の回折格子２１は、直交
した２軸方向に回折するグレーティングを有している。
また、回折格子３Ｄは回折格子３Ｃと直交した回折格子
であり、この回折格子３Ｃおよび３Ｄは領域内をそれぞ
れ４分割し、所定のピッチだけずらして配置されてい
る。
【００４７】たとえば、回折格子３Ｃの分割領域３Ｃ１
と３Ｃ２，３Ｃ３と３Ｃ４はそれぞれ１８０°，３Ｃ１
と３Ｃ４の間は９０°の位相差を持たせてあり、回折格
子３Ｄも同様に構成されている。
と３Ｃ２，３Ｃ３と３Ｃ４はそれぞれ１８０°，３Ｃ１
と３Ｃ４の間は９０°の位相差を持たせてあり、回折格
子３Ｄも同様に構成されている。
【００４８】４Ｃ，４Ｄは受光素子であり、その受光面
は回折格子３Ｃ，３Ｄの分割領域３Ｃ１，３Ｃ２，３Ｃ
３，３Ｃ４，３Ｄ１，３Ｄ２，３Ｄ３，３Ｄ４に対応し
て、分割領域４Ｃ１，４Ｃ２，４Ｃ３，４Ｃ４，４Ｄ
１，４Ｄ２，４Ｄ３，４Ｄ４に分割されている。動作に
必要な光路は矢印の付いた直線で示しているが、煩雑に
なるため、光束については回折格子３Ａおよび回折格子
２１上にのみ示している。５Ｃ１，５Ｃ２，５Ｄ１，５
Ｄ２はそれぞれ受光素子４Ｃ，４Ｄの分割領域４Ｃ１と
４Ｃ２，４Ｃ３と４Ｃ４，４Ｄ１と４Ｄ２，４Ｄ３と４
Ｄ４の出力差を出力する差動回路であり、この差動回路
の出力は端子ＡX ，ＢX ，ＡY ，ＢY に接続されてい
る。
は回折格子３Ｃ，３Ｄの分割領域３Ｃ１，３Ｃ２，３Ｃ
３，３Ｃ４，３Ｄ１，３Ｄ２，３Ｄ３，３Ｄ４に対応し
て、分割領域４Ｃ１，４Ｃ２，４Ｃ３，４Ｃ４，４Ｄ
１，４Ｄ２，４Ｄ３，４Ｄ４に分割されている。動作に
必要な光路は矢印の付いた直線で示しているが、煩雑に
なるため、光束については回折格子３Ａおよび回折格子
２１上にのみ示している。５Ｃ１，５Ｃ２，５Ｄ１，５
Ｄ２はそれぞれ受光素子４Ｃ，４Ｄの分割領域４Ｃ１と
４Ｃ２，４Ｃ３と４Ｃ４，４Ｄ１と４Ｄ２，４Ｄ３と４
Ｄ４の出力差を出力する差動回路であり、この差動回路
の出力は端子ＡX ，ＢX ，ＡY ，ＢY に接続されてい
る。
【００４９】そして、各回折格子３Ａ，３Ｃ，３Ｄとス
ケール２０上の回折格子２１は、同一ピッチ（例えば
１．６μｍ）に設定されている。
ケール２０上の回折格子２１は、同一ピッチ（例えば
１．６μｍ）に設定されている。
【００５０】図８において、半導体レーザや発光ダイオ
ード等の発光素子としての光源１から放射された光は、
レンズ２で光束に変換されたのち回折格子３Ａに入射さ
れる。この光束は回折格子３Ａで透過回折され、０次回
折光Ｒ0 ，Ｘ軸方向の−１次回折光ＲＸ-1 ，Ｙ軸方向
の＋１次回折光ＲＹ+1の３つを含む複数本の光束に分割
されて、スケール２０上に形成された回折格子２１の各
点Ｐ１，Ｐ３，Ｐ４に照射される。
ード等の発光素子としての光源１から放射された光は、
レンズ２で光束に変換されたのち回折格子３Ａに入射さ
れる。この光束は回折格子３Ａで透過回折され、０次回
折光Ｒ0 ，Ｘ軸方向の−１次回折光ＲＸ-1 ，Ｙ軸方向
の＋１次回折光ＲＹ+1の３つを含む複数本の光束に分割
されて、スケール２０上に形成された回折格子２１の各
点Ｐ１，Ｐ３，Ｐ４に照射される。
【００５１】この回折格子２１は前記実施例１と同様
に、レプリカ製法やフォトエッチングなどで精度良く形
成することができる。また、回折格子３Ａ，３Ｃ，３Ｄ
も同様の手法で一枚の透明板上に容易に高精度で形成可
能である。
に、レプリカ製法やフォトエッチングなどで精度良く形
成することができる。また、回折格子３Ａ，３Ｃ，３Ｄ
も同様の手法で一枚の透明板上に容易に高精度で形成可
能である。
【００５２】ここで、０次回折光Ｒ0 およびＸ軸方向の
回折光ＲＸ-1の光路についてみれば前述の装置の構成と
同一であり、上記にて説明した通りの動作が得られ端子
ＡX，ＢXよりＸ方向の移動に対応したＡ相，Ｂ相，Ｃ相
信号が得られる。また、０次回折光Ｒ0 およびＹ軸方向
の回折光ＲＹ+1の光路についても同様の動作が得られ端
子ＡY ，ＢYよりＹ方向の移動に対応したＡ相，Ｂ相，
Ｃ相信号が得られことになる。
回折光ＲＸ-1の光路についてみれば前述の装置の構成と
同一であり、上記にて説明した通りの動作が得られ端子
ＡX，ＢXよりＸ方向の移動に対応したＡ相，Ｂ相，Ｃ相
信号が得られる。また、０次回折光Ｒ0 およびＹ軸方向
の回折光ＲＹ+1の光路についても同様の動作が得られ端
子ＡY ，ＢYよりＹ方向の移動に対応したＡ相，Ｂ相，
Ｃ相信号が得られことになる。
【００５３】回折格子３Ｃ，３Ｄでは回折格子をずらし
て配置してあるため、受光素子上には回折格子の位相ず
れに対応した信号が得られることになる。すなわち、こ
の構成においては、スケール２０上の回折格子２１とヘ
ッド部の相対的な変位をＸＹ２軸同時に検出することが
できる。つまり、相対的な変位を、１組のスケールとヘ
ッドで２次元的に同時に求めることができることにな
る。したがって、光源、回折格子、受光素子などを小さ
くまとめることができ、小型で高精度な２軸変位センサ
を実現することができる。
て配置してあるため、受光素子上には回折格子の位相ず
れに対応した信号が得られることになる。すなわち、こ
の構成においては、スケール２０上の回折格子２１とヘ
ッド部の相対的な変位をＸＹ２軸同時に検出することが
できる。つまり、相対的な変位を、１組のスケールとヘ
ッドで２次元的に同時に求めることができることにな
る。したがって、光源、回折格子、受光素子などを小さ
くまとめることができ、小型で高精度な２軸変位センサ
を実現することができる。
【００５４】上記の実施例３では、１光束を４つに分割
したが、受光素子４Ｃの分割領域４Ｃ２は４Ｃ１の反転
信号、４Ｃ３は４Ｃ４の反転信号を得ているもので、本
質的には回折格子３Ｃの分割領域３Ｃ１，３Ｃ４、およ
び受光素子４Ｃの分割領域４Ｃ１，４Ｃ４の組み合わせ
があれば、Ｘ軸側の変位を検出することができる。Ｙ軸
側も同様である。
したが、受光素子４Ｃの分割領域４Ｃ２は４Ｃ１の反転
信号、４Ｃ３は４Ｃ４の反転信号を得ているもので、本
質的には回折格子３Ｃの分割領域３Ｃ１，３Ｃ４、およ
び受光素子４Ｃの分割領域４Ｃ１，４Ｃ４の組み合わせ
があれば、Ｘ軸側の変位を検出することができる。Ｙ軸
側も同様である。
【００５５】次に、各部品を組み込んだ状態の具体例を
図９乃至図１１に示す。図９は、２軸変位センサをスケ
ール側から見た平面図、図１０、図１１はＸＹ軸方向に
ついて示したヘッドの光源付近を通る断面図であり、前
記図８と同一部分には同一符号を付して重複説明を省略
する。なお図が煩雑になるのを避けるため、スケール２
０上の回折格子２１の大部分および電気的配線について
は省略してある。
図９乃至図１１に示す。図９は、２軸変位センサをスケ
ール側から見た平面図、図１０、図１１はＸＹ軸方向に
ついて示したヘッドの光源付近を通る断面図であり、前
記図８と同一部分には同一符号を付して重複説明を省略
する。なお図が煩雑になるのを避けるため、スケール２
０上の回折格子２１の大部分および電気的配線について
は省略してある。
【００５６】図９乃至図１１において、光源１は、例え
ば半導体レーザーであり、チップがステム１Ａ上に搭載
され、キャップ１Ｃとカバーガラス１Ｂにより封止され
ている。このケース入り半導体レーザーはホルダ１１に
取り付けられている。
ば半導体レーザーであり、チップがステム１Ａ上に搭載
され、キャップ１Ｃとカバーガラス１Ｂにより封止され
ている。このケース入り半導体レーザーはホルダ１１に
取り付けられている。
【００５７】１２はガラスエポキシ樹脂やセラミック製
などの回路基板であり、中央には光束を通過させるため
の穴１２ａを設け、その裏面側にはレンズ２が取り付け
られている。この回路基板１２の表面には受光素子４
Ｃ，４Ｄ（各々受光面が２分割あるいは４分割された素
子）が実装され、この回路基板１２は上記ホルダ１１に
接着などで取り付けられている。
などの回路基板であり、中央には光束を通過させるため
の穴１２ａを設け、その裏面側にはレンズ２が取り付け
られている。この回路基板１２の表面には受光素子４
Ｃ，４Ｄ（各々受光面が２分割あるいは４分割された素
子）が実装され、この回路基板１２は上記ホルダ１１に
接着などで取り付けられている。
【００５８】回路基板１２の外周付近にはスペーサ１３
が貼り付けられ、透明板１４が取り付けられている。こ
の透明板１４上には回折格子３Ａ，３Ｃ，３Ｄが、レプ
リカ製法やフォトエッチングなどによって構成されてい
る。回折格子３Ｃ，３Ｄは各々２分割または４分割さ
れ、格子ピッチ９０°分ずつずらせてり、所定距離を隔
てて、スケール２０上の回折格子２１が配置されてい
る。
が貼り付けられ、透明板１４が取り付けられている。こ
の透明板１４上には回折格子３Ａ，３Ｃ，３Ｄが、レプ
リカ製法やフォトエッチングなどによって構成されてい
る。回折格子３Ｃ，３Ｄは各々２分割または４分割さ
れ、格子ピッチ９０°分ずつずらせてり、所定距離を隔
てて、スケール２０上の回折格子２１が配置されてい
る。
【００５９】このように構成することにより、受光素子
４Ｃおよび４Ｄでは、それぞれ９０°ずつ位相のずれた
信号を得ることができ、非常に小型の２軸変位センサを
実現することができる。この場合、発光素子のパッケー
ジサイズ（たとえば現在主流のレーザーダイオードのス
テム径は５．６ｍｍ）から、ヘッドの寸法として１０ｍ
ｍ立方以下に抑えることも容易である。
４Ｃおよび４Ｄでは、それぞれ９０°ずつ位相のずれた
信号を得ることができ、非常に小型の２軸変位センサを
実現することができる。この場合、発光素子のパッケー
ジサイズ（たとえば現在主流のレーザーダイオードのス
テム径は５．６ｍｍ）から、ヘッドの寸法として１０ｍ
ｍ立方以下に抑えることも容易である。
【００６０】上記実施例３の２軸変位センサは、前記図
１に示す２軸変位センサが有する〜の特徴の他、 各軸１組の干渉光束内で位相差を作るため、各位相信
号間の位相差は常に安定する。スケール位置による回折
効率の差の影響は、各位相信号に同時に現れるので、検
出精度には影響が現れにくい。また、各回折格子３Ａ，
３Ｃ，３Ｄ間の位置精度は厳しく抑える必要がなく製造
が容易である。
１に示す２軸変位センサが有する〜の特徴の他、 各軸１組の干渉光束内で位相差を作るため、各位相信
号間の位相差は常に安定する。スケール位置による回折
効率の差の影響は、各位相信号に同時に現れるので、検
出精度には影響が現れにくい。また、各回折格子３Ａ，
３Ｃ，３Ｄ間の位置精度は厳しく抑える必要がなく製造
が容易である。
【００６１】上記実施例３では、光源からの出射光をコ
リメートするためにのみレンズが使用されているが、受
光素子サイズに合わせるために、回折格子３Ｃ，３Ｄと
受光素子の間にレンズを使用することもできる。また、
実施例に説明したように、ヘッドの取り付け許容度を広
げるためには、平行光束ではなくレンズ２にてスケール
上の回折格子近傍に集光することを本実施例にも適用す
ることができる。
リメートするためにのみレンズが使用されているが、受
光素子サイズに合わせるために、回折格子３Ｃ，３Ｄと
受光素子の間にレンズを使用することもできる。また、
実施例に説明したように、ヘッドの取り付け許容度を広
げるためには、平行光束ではなくレンズ２にてスケール
上の回折格子近傍に集光することを本実施例にも適用す
ることができる。
【００６２】実施例４．各受光素子および光源を同一基
板上に実装することにより、ヘッドの奥行を短くするこ
とができ、より一層の小型化をはかることができる。図
１２乃至図１４はその一例を示すもので、図１２は平面
図、図１３と図１４はＸＹ軸方向について示したヘッド
の中央付近を通る断面図であり、光源１にはＬＥＤを使
用している。
板上に実装することにより、ヘッドの奥行を短くするこ
とができ、より一層の小型化をはかることができる。図
１２乃至図１４はその一例を示すもので、図１２は平面
図、図１３と図１４はＸＹ軸方向について示したヘッド
の中央付近を通る断面図であり、光源１にはＬＥＤを使
用している。
【００６３】上記図９乃至図１１に示す実施例３と異な
り、レンズ２は透明板１４の裏側に形成している。この
レンズ２をレプリカ製法で形成すると安価に製造でき
る。スペーサ１３の形状を実施例３のものから変更し、
光源１から受光素子への直接光の影響を排除するため
に、光源１と受光素子との間にも設けて遮光作用を持た
せるように構成すると、ヘッド形状をさらに薄型化する
ことができる。
り、レンズ２は透明板１４の裏側に形成している。この
レンズ２をレプリカ製法で形成すると安価に製造でき
る。スペーサ１３の形状を実施例３のものから変更し、
光源１から受光素子への直接光の影響を排除するため
に、光源１と受光素子との間にも設けて遮光作用を持た
せるように構成すると、ヘッド形状をさらに薄型化する
ことができる。
【００６４】なお、以上の各実施例では直交した２軸を
例に採ったが、必要に応じて他の角度の２軸に設定した
ものであっても本発明の趣旨を逸脱するものではない。 実施例５．図１５は上記の各実施例に示す本発明の光学
的変位センサを用いた駆動システムの実施例を示すブロ
ック図であり、ＸＹステージの位置制御などが代表的な
例である。図１５において、ステージのような駆動され
る物体１００の移動部に光学的変位センサ１０１を取り
付け、モータやアクチュエータなどの駆動源を有するＸ
軸駆動手段１０２およびＹ軸駆動手段１０３によって物
体１００を駆動する。
例に採ったが、必要に応じて他の角度の２軸に設定した
ものであっても本発明の趣旨を逸脱するものではない。 実施例５．図１５は上記の各実施例に示す本発明の光学
的変位センサを用いた駆動システムの実施例を示すブロ
ック図であり、ＸＹステージの位置制御などが代表的な
例である。図１５において、ステージのような駆動され
る物体１００の移動部に光学的変位センサ１０１を取り
付け、モータやアクチュエータなどの駆動源を有するＸ
軸駆動手段１０２およびＹ軸駆動手段１０３によって物
体１００を駆動する。
【００６５】光学的変位センサ１０１の検出出力は、Ｘ
Ｙ各軸の信号が制御手段１０４にフィードバックされ、
制御手段１０４においては、設定手段１０５で設定され
た状態となるように駆動手段１０２，１０３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１０５で設定された所望の状態を
得ることができる。
Ｙ各軸の信号が制御手段１０４にフィードバックされ、
制御手段１０４においては、設定手段１０５で設定され
た状態となるように駆動手段１０２，１０３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１０５で設定された所望の状態を
得ることができる。
【００６６】このような駆動システムは、たとえば、プ
リンタ、複写機などの事務機器、画像読取り装置などの
画像情報記録再生機器、ロボット、工作機械、製造装置
などの産業機器で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。
リンタ、複写機などの事務機器、画像読取り装置などの
画像情報記録再生機器、ロボット、工作機械、製造装置
などの産業機器で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。
【００６７】
【発明の効果】本発明によれば、２軸方向の変位を同時
に検出することができる光学式変位センサ及びこれを用
いた駆動システムを、取扱いが容易で、小型、高精度に
得ることができる。
に検出することができる光学式変位センサ及びこれを用
いた駆動システムを、取扱いが容易で、小型、高精度に
得ることができる。
【図１】 本発明の光学式変位センサである２軸変位セ
ンサの実施例１を示す構成図。
ンサの実施例１を示す構成図。
【図２】 実施例１の２軸変位センサをスケール側から
見た平面図。
見た平面図。
【図３】 図２の２軸変位センサをＸ軸方向について示
した断面図。
した断面図。
【図４】 図２の２軸変位センサをＹ軸方向について示
した断面図。
した断面図。
【図５】 実施例２の２軸変位センサをスケール側から
見た平面図。
見た平面図。
【図６】 図５の２軸変位センサをＸ軸方向について示
した断面図。
した断面図。
【図７】 図５の２軸変位センサをＹ軸方向について示
した断面図。
した断面図。
【図８】 本発明の光学式変位センサである２軸変位セ
ンサの実施例３を示す構成図。
ンサの実施例３を示す構成図。
【図９】 実施例３の２軸変位センサをスケール側から
見た平面図。
見た平面図。
【図１０】図９の２軸変位センサをＸ軸方向について示
した断面図。
した断面図。
【図１１】図９の２軸変位センサをＹ軸方向について示
した断面図。
した断面図。
【図１２】実施例４の２軸変位センサをスケール側から
見た平面図。
見た平面図。
【図１３】図１２の２軸変位センサをＸ軸方向について
示した断面図。
示した断面図。
【図１４】図１２の２軸変位センサをＹ軸方向について
示した断面図。
示した断面図。
【図１５】本発明の駆動システムを示すブロック図。
【図１６】従来の光学式変位センサを示す構成図。
１ 発光素子 ３Ａ 第一の光学手段 ３Ｂ〜３Ｅ 第二の光学手段 ４Ｂ〜４Ｅ 受光素子 ２０ スケール ２１ 回折格子 １０２ Ｘ軸駆動手段（駆動手段） １０３ Ｙ軸駆動手段（駆動手段） １０４ 制御手段
───────────────────────────────────────────────────── 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62−261004（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 102 G01D 5/26 - 5/38 B23Q 17/24
Claims (8)
- 【請求項１】 相対変位物体に取り付けられ２軸方向に
回折格子が形成されたスケールに、発光素子から出射し
た光を各軸方向において複数光束に分割して照射させる
第一の光学手段と、前記回折格子に照射されて変調を受
けた前記複数光束を軸別に異なる位置で合成して各軸毎
に干渉光束を得る第二の光学手段と、前記各軸毎の干渉
光束をそれぞれ検出する複数の受光素子とを備えた光学
式変位センサ。 - 【請求項２】 相対変位物体に取り付けられ２軸方向に
回折格子が形成されたスケールに、発光素子から出射し
た光を各軸方向において複数光束に分割して照射させる
第一の光学手段と、前記回折格子に照射されて変調を受
けた前記複数光束を合成して各軸毎に干渉光束を得る第
二の光学手段と、前記各軸毎の干渉光束をそれぞれ検出
する複数の受光素子とを備え、前記第二の光学手段は、
前記干渉光束のうち各軸１組の特定された干渉光束の領
域内を特定ピッチだけずらして分割配置され、この分割
配置された前記第二の光学手段にそれぞれ対応して前記
受光素子が配置されていることを特徴とする光学式変位
センサ。 - 【請求項３】 前記発光素子は、半導体レーザー素子ま
たはＬＥＤであることを特徴とする請求項１または２の
光学式変位センサ。 - 【請求項４】 互いに１／４周期の位相差を有する信号
を検出する、少なくとも各軸２個の受光素子を有するこ
とを特徴とする請求項１または２の光学式変位センサ。 - 【請求項５】光路中にレンズを有することを特徴とする
請求項１または２の光学式変位センサ。 - 【請求項６】 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発光素子とともに筐体に内蔵したこ
とを特徴とする請求項１または２の光学式変位センサ。 - 【請求項７】 相対変位物体に取り付けられ２軸方向に
回折格子が形成されたスケールと、発光素子から出射し
た光を各軸方向において複数光束に分割させる第一の光
学手段と、前記回折格子に照射されて変調を受けた前記
複数光束を軸別に異なる位置で合成して各軸毎に干渉光
束を得る第二の光学手段と、前記各軸毎の干渉光束をそ
れぞれ検出する複数の受光素子と、前記物体を変位させ
る駆動手段と、前記受光素子の出力に基づいて前記駆動
手段を制御する制御手段とを備えた駆動システム。 - 【請求項８】 相対変位物体に取り付けられ２軸方向に
回折格子が形成されたスケールと、発光素子から出射し
た光を各軸方向において複数光束に分割させる第一の光
学手段と、前記回折格子に照射されて変調を受けた前記
複数光束を合成して各軸毎に干渉光束を得る第二の光学
手段と、前記各軸毎の干渉光束をそれぞれ検出する複数
の受光素子と、前記物体を変位させる駆動手段と、前記
受光素子の出力に基づいて前記駆動手段を制御する制御
手段とを備え、前記第二の光学手段は、前記干渉光束の
うち各軸１組の特定された干渉光束の領域内を特定ピッ
チだけずらして分割配置され、この分割配置された前記
第二の光学手段にそれぞれ対応して前記受光素子が配置
されていることを特徴とする駆動システム。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP05152690A JP3082516B2 (ja) | 1993-05-31 | 1993-05-31 | 光学式変位センサおよび該光学式変位センサを用いた駆動システム |
| US08/560,511 US5666196A (en) | 1993-05-31 | 1995-11-17 | Optical detection apparatus for detecting information relating to relative displacement of an object on whch a diffraction grating is formed |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP05152690A JP3082516B2 (ja) | 1993-05-31 | 1993-05-31 | 光学式変位センサおよび該光学式変位センサを用いた駆動システム |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06341861A JPH06341861A (ja) | 1994-12-13 |
| JP3082516B2 true JP3082516B2 (ja) | 2000-08-28 |
Family
ID=15546009
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP05152690A Expired - Fee Related JP3082516B2 (ja) | 1993-05-31 | 1993-05-31 | 光学式変位センサおよび該光学式変位センサを用いた駆動システム |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5666196A (ja) |
| JP (1) | JP3082516B2 (ja) |
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| JPH06341861A (ja) | 1994-12-13 |
| US5666196A (en) | 1997-09-09 |
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