JP3390440B2 - 相対的な動きを検出する装置 - Google Patents

相対的な動きを検出する装置

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Description

【発明の詳細な説明】 従来技術 本願発明は変位を測定する光学機器に関し、特に、光
源または検出ヘッドに対し相対的に移動可能なスケール
又は回折格子からの単色光の回折を利用するような機器
に関する。
これまで、光学回折格子からの光の回折を利用して相
対変位を測定する装置が多数提案されてきた。そのよう
な従来技術は、例えば、ペティグルー（Pettigrew）へ
の特許第4,776,701号、カナヤマ他への特許第4,815,850
号及びタニグチ他への特許第4,676,645号に見ることが
できる。この種の商業的に入手可能な装置が、マサチュ
ウセッツ州のベブァリーのオプトラ社（Optra）によっ
て商標「Nanoscale」が付されて販売されている。しか
し、各従来技術の装置は、回折格子から戻って得られそ
の後一緒に戻されて干渉するような異なる回折次数の分
離又は拡大を含む。一般的には、かなりの数の光学素子
が必要とされ、さらに、それぞれの素子は、非常にスペ
ースを必要とし、また、器具をそれらの各々の設計に応
じて作動するように整合しなければならない。
多数の本願発明の目的の中で、特に、最小限度の素子
を用いる相対位置を検出する装置を提供すること、スペ
ースに関する許容差及び装置素子の整合が比較的大であ
るような装置を提供すること、容易に組み立てられるよ
うな装置を提供すること、集積回路技術を用いることに
よって検出素子を得ることができるような装置を提供す
ること、高精度の測定値を与えることができる装置を提
供すること、高信頼性及び比較的単純で廉価な構成の装
置を提供することに注目することができる。他の目的及
び特徴の一部は明白であり、一部を後述する。
本願発明の概要 本願発明に係る装置は、スケール又は格子（以下、総
括的に「スケール」と称する）を用いており、それは、
既定の波長に関して、回折光を正及び負の第１次数に集
中する。スケールは選択波長の単色光を与える源に対し
て相対的に移動可能であり、その源はスケールの長さ方
向に沿う幅Ｗのスケールの領域を照らす。多相周期的検
出器はスケールに接近していて、各検出器位相又は要素
が、中間反射又は拡大することなく、主として、スケー
ルから回折した正及び負の第１次数の間の干渉に応答す
る。
図面の簡単な説明 図１は本願発明に係る変位検出装置の平面図である。
図２は、図１の装置に用いられた回折スケールに接近
する領域において異なる次数が干渉する状態を描く図で
ある。
図３は、スケール又は格子から回折した光に関して図
１の装置に用いられた周期的多相検出器の作動を図示し
ており、スケールスペース及び回折角度を誇張した図で
ある。
図４は図３の検出器の全面の図である。
対応する参照符号は図面のそれぞれの図を通じて対応
する部分を示す。
望ましい実施例の説明 説明の便宜上、図１は平面図として説明するが、当業
者にとって明白であるように、装置はいかなる方向を向
いても作動することができる。前述したように、本願発
明の装置は、全体として参照符号11で示す検出ヘッド
と、スケールつまり格子13との間での相対移動つまり変
位を検出又は検知するように作動する。検出ヘッド11
は、望ましくは参照符号15で示すような半導体レーザの
ような単色光源を含む。半導体レーザ15はλで示す波長
を持つ本質的に単色である光を提供する。説明のための
みの便宜のため、相対移動の方向をＸ軸で示す。これは
スケールの長さ方向に沿う方向であるが、スケールの表
面からの距離はＹ軸に沿って測定するものと考える。対
応するように、Ｚ軸を図の面と直交するようにつまり垂
直であるように考える。スケール13はＺ軸と平行と規定
する。
以下の記載から明白になるように、図示された実施例
に用いられているスケール13は反射するように作動し、
また、選択された波長で回折した光を正及び負の第１次
数に集中し、さらにゼロ次の次数を最小化するように作
られている。当業者は理解するであろうが、その様な特
性は、主として、λ/4、つまり1/4波長である深さを採
用することにより、さらに、表面を図３に示すように形
成することにより得ることができる。本質的に等価なス
ケールを設計して伝達作動するように設計できることは
理解すべきである。半導体レーザ15からの光は、レンズ
17によってほぼコリメートされ、さらに、ミラー19によ
ってほぼ直交する方向に向けられてスケール13の面に向
かい、スケールの長手方向への幅Ｗを持つ領域20を照射
する。スケール13から戻って回折した光は多相周期的検
出器25によって検出される。Ｘ軸に沿う検出器の周期
は、スケール13から回折した正及び負の第１次数の干渉
によって発生した干渉パターンの周期に対応し、すなわ
ちR/2に等しい。検出器25の作動領域の幅は、望ましく
は、スケール13上の照射領域の幅よりも十分に狭い。検
出器25はミラー19からスケール13に進む光ビームの通路
にあるように図示してあるが、Ｚ方向内のスケール表面
にビームが正確に直交することは要求されないので、検
出器は実際にはビームの上方又は下方に設けることもで
きる。
図２を参照すると、スケール13の長さに沿う幅Ｗの領
域はレーザ源からのビームによって照射されている。ゼ
ロ次の次数は本質的に直接反射されて戻るものであり、
このビームは参照符号31によって示されている。正の第
１次数は右に向って角度θで回折するように図示されて
おり、そのビームは参照符号33で示されているが、負の
第１次数は参照符号35で示されており左に向かって同一
の角度で回折する。当業者は理解するであろうが、その
角度θはarcsin（λ/P）と等しい。ここでＰはＸ軸に沿
うスケールの周期である。
明らかにわかるが、参照符号37で示すような三角形の
領域が現れており、中間の反射又は拡大をすることな
く、正及び負の第１次数が直接に干渉を行う。その領域
は、スケールからW/（2tanθ）と等しい距離まで延出
し、また、近視野干渉の領域と考えることができる。フ
レネル干渉関知における用語「近視野干渉」と混同する
ことを避けるために、本願発明において用いられる干渉
の領域を、さらに、「前分離」干渉、つまり、正及び負
の次数が分れる前の干渉と正確に記載する。この領域に
おいては、正及び負の次数は直接に干渉を行う。本願発
明によると、検出器25はその領域内に配置されている。
スケール13からの回折の偶数の次数及びゼロ次の次数
を十分に排除するように特性が作られているが、いく分
かの認識できる程度のエネルギーは奇数の次数に一般的
には残るであろう。図２を参照すると、正及び負の第３
次数ビームがそれぞれ参照符号41及び43によって示され
ている。当業者は理解するであろうが、各ビームが出発
する位置における法線からの角度はφであり、ここで、
φ＝arcsin（３λ/P）である。そこには、対応するよう
に、干渉の前分離の三角の領域が現れており、この領域
を参照符号47によって示す。この領域は、スケールから W/（2tanφ） の距離まで延出している。
望ましくは、検出器25は、正及び負の第３次数からの
前分離干渉の領域よりもスケールからさらに離れてお
り、これにより、得られた信号は、真の第１次数干渉パ
ターンの正弦波特性に最も接近して対応する。望ましく
は、最大検出幅を得るために、領域47の頂点のすぐそば
の外側に配置される。明白であるが、検出器の全作動領
域は望ましい干渉の領域内にあるべきである。
これまでの説明を考慮すると、照射領域20の設計幅が
回折スケールからの検出面の設計空間に相当することが
望ましいことがわかる。しかし、設計幅を越えた照射に
より、望ましい干渉が妨げられるが、それより、高回折
次数からのいくらかの寄与が許容されるだけであり、そ
れは、照射の拡張した領域の部分によって、より大きな
回折角度で出る光が検出器に到達することができるから
である、ということは理解すべきである。従って、検出
空間と照射領域幅との不整合の問題は、意図した機能の
故障というよりも自然な徐々の低下によるものである。
空間は高精度である必要はないことは本願発明の特徴の
一つである。
上で指摘したように、検出器25の作動領域の幅は、ス
ケール上の照射領域の幅よりも狭い。従って、図３に示
すように、領域20の左側にある領域からの回折の正の第
１次数は、領域20の右側のゾーンからの回折の負の第１
の次数と交わって干渉を行い、交わった光の組み合わせ
は検出器25の検出面で干渉を行うことができる。
指摘したように、寸法及び角度は図２及び３において
誇張してあるのは説明のためである。実際の設計のため
の寸法及び角度は例えば以下のようにすることができる
であろう。光源は、780ナノメータの波長の光を提供す
る半導体レーザである。スケール13は１インチ毎に424
ライン（１ミリメータ毎に16.64ライン）と規定してお
り、これにより、周期Ｐは60ミクロンとなる。この結
果、第１次数回折θの角度は1.7度であり、第３次数回
折φは2.2度である。照射領域の幅が1.0ミリメータであ
るとすると、干渉の前分離第１次数領域はスケールから
38.5ミリメータ延出するが、干渉の前分離第３次数領域
はスケールから12.8ミリメータ延出する。
当業者は理解するであろうが、正及び負の第１次数回
折の組み合わせの干渉によって生じる光強度のパターン
は、スケール自体の周期性の２倍の周期性を持つであろ
う。検出器25は整合周期、つまり、P/2を持つように構
成されており、これにより、検出器の各位相における様
々な素子からの寄与が加算的に組み合わされる。望まし
くは、検出器25は、細長いフォトダイオードの列からな
る集積回路として構成される。そのようなフォトダイオ
ードを図４に示す。個々のフォトダイオードを参照符号
51によって示す。上に指摘したように、列は多相であ
る。例えば、方形信号を提供する２つの列は相対変位を
明確にすることができるであろう。様々なフォトダイオ
ード素子の内部接続を単純化するために、Ｚ軸方向に２
位相をオフセットすることによって製造をより単純化す
るための構成を実行することができる。他の実施例は、
相対的に広い面積のフォトダイオードを用いることがで
き、フォトダイオードの各々には適当な位相の光を受け
入れることができる個別のマスクが設けられる。この構
造は組み立てがより単純であるが、入手できる光のエネ
ルギーの利用においてはほとんど有効ではない。
さらに他の実施例においては、検出面における干渉後
に、異なる角度での異なる位相を分散するような検出面
に凸レンズ状のスクリーンを提供することができ、これ
により、離隔された検出器を利用することができる。そ
の凸レンズ状のスクリーンは従ってＸ軸に沿ってP/2の
周期性を持つであろう。この場合は、光電検出器自体を
いわゆる前干渉の領域内に置く必要はないが、それよ
り、検出面及び干渉ポイントがその領域内にある凸レン
ズ状スクリーンの位置にある必要がある。
同様に、検出器位相の各々の外に生じ得る最も真の正
弦波を提供するために真の次数干渉を達成することが望
ましいが、他の次数による干渉はいくつかの応用におい
ては過度に排除されないであろうし、また、整合パター
ンテーブルを用いることにより、十分に正確な補間を行
うことができる。
例示により開示した実施例は単一軸に沿って検出を行
うが、本願発明の技術は、直交する方向に規定したスケ
ールとともに各方向のための個々の検出器を用いること
によって、組み合わせた２軸検出装置に適用することが
できる。単一の光源は両方の軸に役立つことができる。
直交のために、１つの軸に沿う移動と他方の軸に沿う移
動により発生する検出信号との間の相互作用は最小にな
るであろう。
検出器及び格子が回折信号に対する整合曲線を提供す
るように適切に形成されるのであれば、または、十分に
細い格子が用いられていたのであれば、本願発明はロー
タリーエンコーダにも効果的に応用することができる。
上記を考慮すると、本願発明の様々な目的が達成で
き、また、他の有利な結果が達成できたことがわかるで
あろう。
本願発明の範囲から逸脱することなく上記の構成にお
いて様々な変形を行うことができるので、上記の説明に
含まれ又は添付図面に示された全ての事項は例示として
解釈されるべきであり、限定事項ではない。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−176914（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−24817（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−102018（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−25212（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−88314（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−66136（ＪＰ，Ａ) 実開 昭60−65626（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01B 11/00 G01D 5/38

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】相対移動を検出する装置であって、 光源に関して相対移動を行い、また、周期Ｐと、既定の
    波長λで回折した光を正及び負の第１次数に集中する特
    性とを持つ回折スケールと、 前記スケールの長さ方向に沿う幅Ｗを持った該スケール
    の領域上に入射光を波長λの第１及び第２のビームに分
    割する手段と、 前記スケールから以下の距離より小さな距離だけ離れた
    検出面を持つ周期的検出器とを備えており、 W/（2tanθ） ここで、θ＝arcsin（λ/p）で、該検出器の周期がP/2
    に等しく、該検出器が、前記検出面の位置で前記スケー
    ルから回折した正及び負の第１次数の干渉に特に応答す
    るように配置されている装置。
  2. 【請求項２】請求項１の装置において、前記検出面が前
    記スケールから以下の距離よりも大きな距離だけ離れて
    いる装置、 W/（2tanφ） ここで、φ＝arcsin（３λ/P）である。
  3. 【請求項３】相対移動を検出する装置であって、 波長λの単色光の光源と、 該光源に関して相対移動を行い、周期Ｐと、既定の波長
    λで回折した光を正及び負の第１次数に集中し、また、
    ゼロ次の次数を最小化する特性とを持つ反射回折スケー
    ルと、 前記スケールの長さ方向に沿う幅Ｗを持った該スケール
    の領域上に入射光を前記光源の第１及び第２のビームに
    分割する手段と、 前記スケールから以下の距離より小さな距離だけ離れた
    検出面を持つ多相周期的検出器とを備えており、 W/（2tanθ） ここで、θ＝arcsin（λ/P）で、該検出器の周期がP/2
    に等しく、該検出器が、前記検出面の位置で前記スケー
    ルから回折した正及び負の第１次数の干渉に特に応答す
    るように配置されている装置。
  4. 【請求項４】請求項３の装置において、前記検出器が平
    行で細長いフォトダイオードのアレーからなる装置。
  5. 【請求項５】請求項３の装置において、前記検出面が前
    記スケールから以下の距離よりも大きな距離だけ離れて
    いる装置、 W/（2tanφ） ここで、φ＝arcsin（３λ/P）である。
  6. 【請求項６】相対移動を検出する装置であって、 波長λの単色光を提供する半導体レーザと、 該レーザに関して長手方向への相対移動を行う細長い反
    射回折スケールであって、周期Ｐと、前記波長λで回折
    した光を正及び負の第１次数に集中し、また、ゼロ次の
    次数を最小化する特性とを持ち、その長さ方向に横断す
    るように規定された細長い反射回折スケールと、 前記スケールの長さ方向に沿う幅Ｗを持つ該スケールの
    領域上に入射光を前記レーザからの光の第１及び第２の
    ビームに分割する手段と、 前記スケールから以下の距離より小さな距離だけ離れた
    平坦な平行のアレーに配置された複数の細長い光電検出
    器とを備えており、 W/（2tanθ） ここで、θ＝arcsin（λ/P）で、該検出器が、P/2に等
    しい周期を持つ周期多相アレー状に相互に接続されてお
    り、前記検出器が、前記検出面の位置で前記スケールか
    ら回折した正及び負の第１次数の干渉に特に応答するよ
    うに配置されている装置。
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