JP3679604B2 - 変位情報検出装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は変位情報検出装置に関し、特に物体の移動量や移動速度などの変位情報を光学的に測定する変位測定の分野に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から物体の移動量や移動速度などを測定するためにエンコーダが広く用いられている。光学的に測定する方法の大半は可動格子と参照格子を用いており、 (ア-1) 一般的には、その参照格子は光源及び受光部と一体的に設けられており、固定格子とも呼ばれている。
【０００３】
(ア-2) 一方、特殊な検出方式として、古くは特開昭３６−１１７９３号公報で開示されているような参照格子として移動格子の一部を用いているような構成、いわゆる自己投射型の構成による検出光学系を有した変位測定装置が提案されている。
【０００４】
特にエンコーダは簡易な構成でありながら高精度で角度変位量や移動量等を検出できるので工作機械や計測装置に広く使用されている。
【０００５】
図５は特公昭３６−１１７９３号公報で提案されているエンコーダの要部概略図である。同図において光源２０１からの光束は、基板２０２に設けた開口２０２ａを通過した後にレンズ系２０３で略平行光束として放射格子（直線状格子）を設けた変位物体としての光学スケール２０４の第１領域２０４ａに入射している。
【０００６】
光学スケール２０４の第１領域２０４ａの格子で回折した±ｎ次の回折光はレンズ系２０５，コーナーキューブ２０６、そしてレンズ系２０７を介して光学スケール２０４の第２領域２０４ｂに導光され、その面上に干渉パターンを形成する。第２領域２０４ｂを通過した干渉パターンに基づく光束をレンズ系２０８で集光して受光素子２０９で検出している。
【０００７】
このとき光学スケール２０４が矢印２０４ｃの方向に移動すると、光学スケール２０４上に形成される干渉パターンは逆方向に変位するので受光素子２０９では格子分解能（格子ピッチ）の２倍の周期の信号が得られる。
【０００８】
同図に示すエンコーダは受光素子２０９で得られる周期信号を利用して光学スケール２０４の変位情報を得ている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
この自己投射型の検出光学系を用いた方式は以下の特徴を有している。
【００１０】
(イ-1) 格子ピッチに依存しない検出ヘッドが実現可能である。
【００１１】
(イ-2) 格子分解能の２倍の周期信号が得られる。
などのメリットがあり、産業的には(イ-1) の特徴はさまざまな分解能が求められるエンコーダ市場においては大きなメリットで、汎用性の高い分解の依存性のない検出ヘッドが提供可能となり、大量生産によるローコスト化が可能である。また(イ-2) の特徴では高分解能検出も可能である。
【００１２】
上記のように多くの優れた特徴を有するこの自己投射型の構成による検出光学系を有した位置検出方式であるので、エンコーダとして必要な２ＣＨ以上の位相差信号を、より小型構成で得る方法が求められている。
【００１３】
本発明の第１の目的は上記、従来の自己投射型の検出光学系をする変位測定装置において、より小型化が可能な位相差検出方式を用いた情報検出装置を提供することにある。
【００１４】
図５に示すエンコーダでは光源２０１からの光束の光学スケール２０４への入射領域（第１領域２０４ａ）と光学スケール２０４で回折した回折光束を光学部材２０５，２０６，２０７を介して該光学スケール２０４へ再入射させるときの再入射領域（第２領域２０４ｂ）が光学スケール２０４上の変位方向２０４ｃに位置するように設定している。
【００１５】
この構成ではスケール２０４とコーナーキューブ２０６との相対的アジムスズレ（光軸回りのスケールの回転）により、最終的に得られる信号のＳ／Ｎが低下する。
【００１６】
又、光学スケール２０４への入射光束及び再入射光束がいずれも光学スケール２０４面に対して垂直となるようにしている。この為、光源，複数のレンズ系，そして受光素子等の各要素の配置に大きな空間を必要とし、又光学スケールからの回折光を該光学スケールに再入射させる為に多くの光学部材を必要とし、装置全体が複雑化及び大型化する傾向があった。
【００１７】
この他光学スケールに対して略垂直に入出射する光束（回折光）を用いている為に受光素子の左右に射出する回折光が迷光となりやすく、装置全体の小型化，簡素化を図りつつ、高精度の変位情報を得るのが難しいという問題点があった。又、光学スケールと複数のレンズ系との間隔が設計値よりずれていると（ギャップ変化があると）受光手段で得られる信号のＳ／Ｎ比が低下してくるという問題点があった。特にこのギャップの設計値からの許容値は格子ピッチが微細化してくるにつれて厳しいものとなってくる。
【００１８】
本発明の第２の目的は、各部材の配置上の空間を少なくすると共に装置全体の簡素化を図りつつ、又各部材の配置上の許容誤差を緩和しつつ変位物体の変位情報を検出することができるリニアエンコーダ等に好適な変位情報検出装置の提供にある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の変位情報装置は、平坦部位とＶ溝形状部位の周期的な構造からなる格子部を有する相対変位可能なスケール手段と、
前記格子部は、一方の面から光束が入射されたときに振幅格子として作用する第１領域と、
前記第１領域に対してその変位方向に略垂直な方向に配置され、前記第１領域と同一方向に変位し、他方の面から光束が入射されたときに波面分割を実行する第２領域を有し、
前記第１領域の一方の面に、該第１の領域と該第２の領域との光路の間で収束する光束を投光するための光照射手段と、
前記第１領域を透過し、回折した光束を反射し、他方の面から前記第２領域に入射させ前記第２領域にスケール手段の移動方向とは逆の方向に移動する干渉パターンを得るための反射手段と、
前記第２領域に入射し、前記格子部の平坦部位とV溝形状部位の作用により波面分割された複数の光束を各々受光し、前記スケール手段の相対変位情報を得る為の受光素子と、を有することを特徴としている。
【００２０】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記スケール手段との間の相対変位情報は相対的直動変位情報または相対的回転変位情報であることを特徴としている。
【００２１】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記反射手段は凹面ミラーであることを特徴としている。
【００２２】
請求項４の発明は、請求項１の発明において、光照射手段からの光束を集光性の光束とする為のレンズ系を有し、該第１領域の格子部からの±ｎ次回折光は該凹面ミラーの面又はその近傍に集光しており、該凹面ミラーは該光学スケールの第１領域を第２領域に等倍で結像していることを特徴としている。
【００２３】
請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記±ｎ次回折光の複数の回折光は、前記凹面ミラーで反射して該光学スケールの第２領域で重ね合わされて干渉パターンを形成していることを特徴としている。
【００２４】
請求項６の発明は、請求項４又は５の発明において、前記スケール手段の一部は前記凹面ミラーの曲率中心に位置していることを特徴としている。
【００３０】
【発明の実施の形態】
図１，図２は本発明の実施形態１の要部斜視図、図３は本発明の実施形態１の一部分の説明図、図４は本発明の実施形態１の一部分の説明図である。
【００３１】
図中１は光源であり、例えばＬＥＤや半導体レーザで構成し、波長λ（６３２．８ｎｍ）の可干渉性光束を発している。２はレンズ系であり、球面レンズ又は非球面レンズより成り、光源１からの光束を集光して、後述する光学スケール３１に導光している。
【００３２】
光源１とレンズ系２等は光照射手段ＬＲの一要素を構成している。３１は位相差検出機能と振幅型の回折格子機能とを有する光学スケールである。
【００３３】
３１は光学スケールであり、移動物体（不図示）に対して固定されており、矢印３１ｅに示す方向に移動している。光学スケール３１は基板３１ｃ上に移動方向と直交する方向に白黒パターンやＶ溝等を所定のピッチで形成した格子部３１ｄを設けて構成している。
【００３４】
本実施形態ではＶ溝を用いた場合を示している。図４（Ａ），（Ｂ）は光学スケール３１の格子部３１ｄの詳細図であり、直線状のＶ溝部を構成する２つの傾斜面３１ｂ−１，３１ｂ−２と１つの平面部３１ａが所定のピッチＰで交互に配列されて格子部３１ｄを形成している。Ｖ溝幅は（１／２）Ｐ、又Ｖ溝を形成する２つの傾斜面３１ｂ−１，３１ｂ−２は各々（１／４）Ｐの幅を有し、各々の傾斜面３１ｂ−１，３１ｂ−２は平坦部３１ａに対し各々臨界角以上、本実施形態ではθ＝４５°で傾いている。
【００３５】
本実施形態では光学スケール３１からの回折光のうち０次回折光と±１次回折光の３つの光束を利用している。ここで、この格子部３１ｄの溝は光学スケール３１の移動方向に対して直線状に構成されている。
【００３６】
尚、本実施形態では光学スケール３１の材質をポリカーボやアクリル等のプラスチックとし、射出成形もしくは圧縮成形，シート成形，レプリカ等の製法によって作成している。４は凹面ミラーであり、球面ミラー，楕円ミラー，放物ミラー，非球面ミラー等から成っている。凹面ミラー４は格子部３ｄのフーリエ変換面に一致している。
【００３７】
本実施形態では図１，図２に示すようにレンズ系２で集光され、光学スケール３１の第１領域３１ａに入射した光束１０１が光学スケール３１で回折し、このときｎ次の回折光（０次と±１次の回折光Ｌ（０），Ｌ（＋１），Ｌ（−１））が凹面ミラー４の面４ｂ又はその近傍（凹面ミラー４の瞳位置又はその近傍）に集光するように各要素を設定している。
【００３８】
図３に示すように凹面ミラー４の光軸４ａに対して入射光束１０１の主光線１０１ａと凹面ミラー４で反射し、光学スケール３１への再入射光束１０２の主光線１０２ａは対称になっている。又、凹面ミラー４は光学スケール３１から透過した収束光束（３つの回折光束）を反射させ、光学スケール３１面上の第２領域３１ｂに３つの像を再結像させている（即ち、３つの回折光を重ね合わせて干渉縞を形成している）。このとき光学スケール３１が矢印方向３１ｅに移動すると再結像した像は矢印方向３１ｅとは反対の方向に移動する。即ち、格子部と干渉パターン像は相対的に光学スケール３１の移動量の２倍の値で相対変位する。
【００３９】
本実施形態ではこれにより光学スケール３１に構成されている格子部の２倍の分解能の移動情報を得ている。
【００４０】
５は受光手段であり、光学スケール３１の格子部３１ｄの第２領域３１ｂ近傍に形成した干渉パターンと格子部のＶ溝との位相関係に基づく光束が第２領域３１ｂで幾何学的に屈折され、射出した３つの光束を各々受光する為の３つのフォトディテクタ（受光素子）５ａ，５ｂ，５ｃを有している。この受光手段５からの信号をパルスカウント回路や移動方向の判別回路を有する信号処理１０３によって処理し、これより移動情報を得ている。尚、光源１，レンズ系２，そして受光手段５は筐体ＰＫ内に固定保持されている。
【００４１】
次に本実施形態における光学スケール（移動体）３１の移動情報の検出方法について説明する。光照射手段の一要素であるＬＥＤ１からの光束をレンズ系２により凹面ミラー面上４の反射面４ｂ又はその近傍に集光するようにしている。この収束光を光学スケール３１の格子部３１ｄ上の第１領域３１ａに入射させる。第１領域３１ａに入射した収束光のうち図４に示す格子部３１ｄの平面部３１ａに到達した光線は該平面部３１ａを通過して凹面ミラー４に進み、その面上に結像する。またＶ溝を構成する傾斜面３１ｂ−１に到達した光線は、傾斜面３１ｂ−１の傾斜角が臨界角以上に設定されている為、図に示すように全反射してＶ溝を構成する他方の傾斜面３１ｂ−２に向けられ、傾斜面３１ｂ−２においても全反射する。
【００４２】
これによって最終的に格子部３１ｄの傾斜面３１ｂ−１へ到達した光線は、凹面ミラーに進入することなく、入射方向に戻されることになる。同様にＶ溝を構成する他方の傾斜面３１ｂ−２に到達した光線も全反射を繰り返して戻される。従って第１領域３１ａにおいてＶ溝を形成する２つの傾斜面３１ｂ−１，３１ｂ−２の範囲に到達する光束は、凹面ミラーに進入することなく反射され、平面部３１ａに到達した光線のみが光学スケール３１を進み、凹面ミラー４に進むことになる。
【００４３】
即ち、第１領域３１ａにおいてＶ溝型の格子部３１ｄは透過型の振幅回折格子と同様の光学作用を有する。この第１領域３１ａの格子部３１ｄで光束は回折され、格子部の作用により０次，±１次，±２次‥‥の回折光が生じ、凹面ミラー４の面上にその回折光が集光する。集光した回折光は、図３に示すように光軸４ａに対して対称に反射し、光学スケール３１の第２領域３１ｂ部で再結像し、光学スケール３１面上に等倍の像を再結像させる。
【００４４】
ここで第１領域３１ａと第２領域３１ｂは光学スケール３１面の移動方向と直交する直線状格子の格子部３１ｄに対して異なった（一部が重複していても良い）領域である。このとき、光学スケール３１は直線状の格子部３１ｄを有するため、第１領域３１ａと第２領域３１ｂの格子ピッチは同じである。
【００４５】
本実施形態では、格子部３１ｄ上の第２領域３１ｂに第１領域３１ａの格子部３１ｄを等倍投影し、光学スケール３１の格子部３１ｄのピッチと同様の像（反転像）を形成するようにしている。そのために本実施形態では凹面ミラー４を所望の曲率半径Ｒに設定し、入射光束１０１の主光線１０１ａと再入射光束１０２の主光線１０２ａが光軸４ａに対して対称となるようにしている。
【００４６】
これによって第１領域３１ａの格子部の像が凹面ミラー４によって第２領域３１ｂ面上に再結像するとき放射状格子の一部のピッチが合致するようにしてＳ／Ｎ比の良い検出信号を得ている。
【００４７】
第２領域３１ｂにおいて平面部３１ａに入射した光束は、図４（Ｂ）に示すように直線透過し、受光手段５の中央部のフォトディテクタ５ｃに到着する。また、Ｖ溝面を形成する２つの傾斜面３１ｂ−１及び３１ｂ−２に到達した光線は、各々の面に４５°の入射角を持って入射するため、それぞれ異なる方向に大きく屈折して受光手段５の両側のフォトディテクタ５ａ及び５ｂに到達する。
【００４８】
このように第２領域３１ｂにおいて、入射光束に対して異なる方向に傾斜した２つの傾斜面３１ｂ−１，３１ｂ−２及びＶ溝の間の平面部３１ａの合計３種の傾き方向の異なる面により、光束は３つの方向に別れて進み、各々の面に対応した位置に設けられた各フォトディテクタ５ａ，５ｂ，５ｃに到達する。即ち第２領域３１ｂにおいてＶ溝の格子部３１ｄは光波波面分割素子として機能する。
【００４９】
即ち第２領域３１ｂの格子部と、その面上に結像した干渉パターン像との位相関係に基づく光束が３方向に偏向され、各フォトディテクタ５ａ，５ｂ，５ｃに入射している。
【００５０】
ここで光学スケール３１が移動すると、各フォトディテクタ５ａ，５ｂ，５ｃで検出される光量が変化する。格子部３１ｄの位置と像の位置の相対的変位に応じ、各フォトディテクタに入射する光量バランスが変化し、その結果、光学スケール３１が移動方向３１ｅ方向に移動したとすると、図４（Ｃ）に示すような光学スケール３１の移動に伴う光量変化が得られる。ここで横軸は光学スケール３の移動量、縦軸は受光光量である。
【００５１】
信号ａ，ｂ，ｃはそれぞれフォトディテクタ５ａ，５ｂ，５ｃに対応している。尚、逆に光学スケール３１が逆方向に移動した場合は、信号ａはフォトディテクタ５ｂ、信号ｂはフォトディテクタ５ａ、信号ｃはフォトディテクタ５ｃの出力となる。これらの信号を基に光学スケール３１の移動速度や移動方向等の移動情報を得ている。
【００５２】
尚、本実施形態においてＬＥＤ１からの光束をレンズ系２で平行光束として光学スケール３１の第１領域３１ａに入射させ、光学スケール３１からの±ｎ次回折光と０次光を各々平面ミラーで反射させて光学スケール３１の第２領域３１ｂに入射させ、その面上に３つの回折光による像（干渉縞）を形成し、そして第２領域３１ｂからの３つの光を各々受光素子５ａ，５ｂ，５ｃで受光するようにしても良い。
【００５３】
図６，図７は本発明の実施形態２の一部分の要部斜視図、図８は本発明の実施形態２の一部分の要部断面図、図９は本発明の実施形態２の一部分の光学スケールと凹面ミラーとの説明図、図１０は本発明の実施形態２の一部分の光学スケールの説明図、図１１は本発明の実施形態２の一部分の光学スケールの格子部と受光手段からの信号の説明図、図１２は本発明の実施形態２の光学スケール上の再結像した像の説明図、図１３は本発明の実施形態２における凹面ミラーの偏心量に対するスケールピッチと重ね合わせピッチの説明図、図１４は本発明の実施形態２における凹面ミラーの偏心量に対するスケールピッチと重ね合わせピッチの説明図、図１５は本発明の実施形態２の一部分の要部断面図、図１６は本発明の実施形態２における光学スケールへの光束の入射状態を示す他の実施形態の説明図、図１７は本発明の実施形態２における光学スケールへの光束の入射状態を示す他の実施形態の説明図である。
【００５４】
図中１は光源であり、例えばＬＥＤや半導体レーザで構成し、波長λ（６３２．８ｎｍ）の可干渉性光束を発している。２はレンズ系であり、球面レンズ又は非球面レンズより成り、光源１からの光束を集光して、後述する光学スケール３に導光している。
【００５５】
光源１とレンズ系２等は光照射手段ＬＲの一要素を構成している。３は位相差検出機能と振幅型の回折格子機能とを有する光学スケールであり、図１０，図１１に示すように円板状の基板３ｃの表面上に一定周期の複数の放射状格子（スリット数２５００又は５０００のＶ溝格子）より成る格子部３ｄを設けて構成している。光学スケール３の基板３ｃは透孔性の光学材料、例えばポリカーボやプラスチックより成り、回転体（不図示）の一部に取り付けており、回転体と一体的に回転軸３ｅを中心に矢印６方向に回転している。
【００５６】
図１１（Ａ），（Ｂ）は光学スケール３の格子部３ｄの詳細図であり、Ｖ溝部を構成する２つの傾斜面３０ｂ−１，３０ｂ−２と１つの平面部３０ａが所定のピッチＰで交互に配列されて格子部３ｄを形成している。Ｖ溝幅は（１／２）Ｐ、又Ｖ溝を形成する２つの傾斜面３０ｂ−１，３０ｂ−２は各々（１／４）Ｐの幅を有し、各々の傾斜面３０ｂ−１，３０ｂ−２はＶ溝の底部と平坦部３０ａの垂線とを結ぶ直線に対し各々臨界角以上、本実施形態ではθ＝４５°で傾いている。
【００５７】
本実施形態では光学スケール３からの回折光のうち０次回折光と±１次回折光の３つの光束を利用している。ここで、この格子部３ｄのＶ溝は光学スケール３に対して放射状に構成されている為、光学スケール３の内周側と外周側ではピッチが異なっている。ここでピッチとは周方向の平坦部３０ａの幅と２つの傾斜面３０ｂ−１，３０ｂ−２の幅との合計した値をいう。
【００５８】
本実施形態では光学スケール３の材質をポリカーボやプラスチックとし、射出成形もしくは圧縮成形当の製法によって作成している。４は凹面ミラーであり、球面ミラー，楕円ミラー，放物ミラー，非球面ミラー等から成っている。凹面ミラー４は格子部３ｄのフーリエ変換面に一致している。
【００５９】
本実施形態では図８，図９に示すようにレンズ系２で集光され、光学スケール３の第１領域３ａに入射した光束１０１が光学スケール３の格子部で回折し、このときｎ次の回折光（０次と±１次の回折光Ｌ（０），Ｌ（＋１），Ｌ（−１））が凹面ミラー４の面４ｂ又はその近傍（凹面ミラー４の瞳位置又はその近傍）に集光するように各要素を設定している。
【００６０】
凹面ミラー４の光軸４ａと入射光束１０１の中心光線（主光線）１０１ａは図４に示すように偏心量Δだけ偏心している。凹面ミラー４は光学スケール３で回折し、集光してきた収束光束（３つの回折光束Ｌ（０），Ｌ（＋１），Ｌ（−１））を反射させ、光学スケール３面上の第２領域３ｂに図１２に示すような３つの回折光に基づく干渉パターン像（像）を再結像させている。このとき光学スケール３が回転方向６に移動すると再結像した像は回転方向６とは反対の方向に移動する。即ち、格子部と干渉パターン像は相対的に光学スケール３の移動量の２倍の値で相対変位する。
【００６１】
本実施形態ではこれにより光学スケール３に構成されている格子部の２倍の分解能の回転情報を得ている。
【００６２】
５は受光手段であり、光学スケール３の格子部３ｄの第２領域３ｂ近傍に形成した図１１に示すような干渉パターンと格子部のＶ溝との位相関係に基づく光束が第２領域３ｂで幾何学的に屈折され、射出した３つの光束を各々受光する為の３つのフォトディテクタ（受光素子）５ａ，５ｂ，５ｃを有している。この受光手段５からの信号をパルスカウント回路や回転方向の判別回路を有する信号処理回路１０３によって処理し、これより回転情報を得ている。尚、光源１，レンズ系２，そして受光手段５は筐体ＰＫ内に固定保持されている。
【００６３】
次に本実施形態における光学スケール（回転体）３の回転情報の検出方法について説明する。光照射手段の一要素であるＬＥＤ１からの光束をレンズ系２により凹面ミラー面上４の反射面４ｂ又はその近傍に集光するようにしている。この収束光を図８，図９に示すように光学スケール３の格子部３ｄ上の第１領域３ａに入射させる。第１領域３ａに入射した収束光のうち図１１に示す格子部３ｄの平面部３０ａに到達した光線は該平面部３０ａを通過して凹面ミラー４に進み、その面上に結像する。またＶ溝を構成する傾斜面３０ｂ−１に到達した光線は、傾斜面３０ｂ−１の傾斜角が臨界角以上に設定されている為、図１１に示すように全反射してＶ溝を構成する他方の傾斜面３０ｂ−２に向けられ、傾斜面３０ｂ−２においても全反射する。
【００６４】
このように最終的に格子部３ｄの傾斜面３０ｂ−１へ到達した光線は、凹面ミラーに進入することなく、入射方向に戻されることになる。同様にＶ溝を構成する他方の傾斜面３０ｂ−２に到達した光線も全反射を繰り返して戻される。従って第１領域３ａにおいてＶ溝を形成する２つの傾斜面３０ｂ−１，３０ｂ−２の範囲に到達する光束は、光学スケール３内に進入することなく反射され、平面部３０ａに到達した光線のみが光学スケール３を進むことになる。
【００６５】
即ち、第１領域３ａにおいてＶ溝型の格子部３ｄは透過型の振幅回折格子と同様の光学作用を有する。この第１領域３ａの格子部３ｄで光束は回折され、格子部の作用により０次，±１次，±２次‥‥の回折光が生じ、凹面ミラー４の面上にその回折光が集光する。集光した回折光は、主光線１０１ａに対して偏芯している凹面ミラー４によって反射し、光学スケール３の第２領域３ｂ部で再結像し、光学スケール３面上に像（放射状の溝の像）を再結像する。
【００６６】
ここで第１領域３ａと第２領域３ｂは光学スケール３面の放射状格子の格子部３ｄに対して半径方向に異なった（一部が重複していても良い）領域である。このとき、光学スケール３は放射状の格子部３ｄを有するため、第１領域３ａと第２領域３ｂの格子ピッチが異なる。さらに、第２領域３ｂの照射領域においても光学スケール３の内周側と外周側のピッチが異なっている。
【００６７】
そこで本実施形態では、格子部３ｄ上の第２領域３ｂに第１領域３ａの格子部を拡大投影し、光学スケール３の放射状の格子部３ｄのピッチと同様の像（反転像）を形成するようにしている。そのために本実施形態では凹面ミラー４を所望の曲率半径Ｒに設定し、入射光束の主光線１０１ａに対して偏心配置するとともに入射光軸に対するずれ量Δも最適な値にしている。
【００６８】
これによって第１領域３ａの格子部の像が凹面ミラー４によって第２領域３ｂ面上に再結像するとき放射状格子の一部のピッチが合致するようにしてＳ／Ｎ比の良い検出信号を得ている。
【００６９】
第２領域３ｂにおいて平面部３０ａに入射した光束は、図１１（Ｂ）に示すように直線透過し、受光手段５の中央部のフォトディテクタ５ｃに到着する。また、Ｖ溝面を形成する２つの傾斜面３０ｂ−１及び３０ｂ−２に到達した光線は、各々の面に４５°の入射角を持って入射するため、それぞれ異なる方向に大きく屈折して受光手段５の両側のフォトディテクタ５ａ及び５ｂに到達する。
【００７０】
このように第２領域３ｂにおいて、入射光束に対して異なる方向に傾斜した２つの傾斜面３０ｂ−１，３０ｂ−２及びＶ溝の間の平面部３０ａの合計３種の傾き方向の異なる面により、光束は３つの方向に別れて進み、各々の面に対応した位置に設けられた各フォトディテクタ５ａ，５ｂ，５ｃに到達する。即ち第２領域３ｂにおいてＶ溝の格子部３ｄは光波波面分割素子として機能する。
【００７１】
即ち第２領域３ｂの格子部と、その面上に結像した干渉パターン像との位相関係に基づく光束が３方向に偏向され、各フォトディテクタ５ａ，５ｂ，５ｃに入射している。
【００７２】
ここで光学スケール３が回転すると、各フォトディテクタ５ａ，５ｂ，５ｃで検出される光量が変化する。格子部３ｄの位置と像の位置の相対的変位に応じ、各フォトディテクタに入射する光量バランスが変化し、その結果、光学スケール３が反時計廻りに回転したとすると、図１１（Ｃ）に示すような光学スケール３の回転に伴う光量変化が得られる。ここで横軸は光学スケール３の回転量、縦軸は受光光量である。
【００７３】
信号ａ，ｂ，ｃはそれぞれフォトディテクタ５ａ，５ｂ，５ｃに対応している。尚、逆に光学スケール３が時計廻りに回転した場合は、信号ａはフォトディテクタ５ｂ、信号ｂはフォトディテクタ５ａ、信号ｃはフォトディテクタ５ｃの出力となる。これらの信号を基に光学スケール３の回転角度や回転量あるいは回転速度や回転加速度等の回転情報を得ている。
【００７４】
尚、図１１（Ｃ）は第２領域３ｂに形成される像のコントラストが非常に高く理想に近い場合の理論的な光量変化の様子を示している。
【００７５】
図１３，図１４は本実施形態において光学スケール３上の格子部として１周当り２５００パルス（２５００Ｐ／Ｒ）と５０００パルス（５０００Ｐ／Ｒ）のとき、光学スケール３の第１領域３ａに入射する光束１０１の主光線１０１ａが凹面ミラー４で反射して第２領域３ｂに入射するときの凹面ミラー４の光軸４ａに対してΔだけ偏心したとき（偏心量Δのとき）の第２領域３ｂでの入射主光線からの距離に対する格子部のスケールピッチを示している。
【００７６】
又偏心量Δのときに凹面ミラー４によって第１領域３ａの格子部が第２領域３ｂに形成されるときの格子部の像の入射主光線からの距離に対する重ね合わせピッチを示している。
【００７７】
図１３，図１４に示すように偏心量ΔがΔ：０．６２（ｎｍ）のとき第２領域３ｂの入射主光線からの距離が１．８ｍｍ近傍でスケールピッチと重ね合わせピッチが略一致している。
【００７８】
本実施形態では入射主光線１０１ａからの距離が１．８ｍｍ近傍の領域を利用している。
【００７９】
本実施形態ではレンズ系２によって光源１と凹面ミラー４の反射面４ａとが略共役関係となるようにし、光学スケール３からの±ｎ次回折光が凹面ミラー４の反射面４ａ上又はその近傍に集光するようにしている。又光学スケール３の一部が凹面ミラー４の曲率中心に合致するようにしている。
【００８０】
これによって光学スケール３と凹面ミラー４との間隔（ギャップ）が多少設定値から変位しても受光手段５で得られる変位情報の誤差を少なくしている。即ち、ギャップ特性の許容値を緩和させている。
【００８１】
図１５（Ａ），（Ｂ）は光学スケール３と凹面ミラー４とのギャップに誤差があったときの入射光と反射光の説明図である。
【００８２】
図１５（Ａ）のように光学スケール３が凹面ミラー４の曲率半径の位置、即ちベストギャップの位置にある場合は、Ｖ溝によって回折した回折光が凹面ミラー４で反射して光学スケール面３の面上に集光するため、干渉縞のコントスラトが最大値を示す。
【００８３】
しかし、図１５（Ｂ）のように光学スケール３がベストギャップの位置からずれた場合には、光学スケール３の面上で回折光が凹面ミラー４で反射した後に光学スケール３上に集光しないため干渉パターンのコントラストが低下する。
【００８４】
このような干渉パターンのコントラストの低下は、受光手段で検出される出力信号の低下と連動しているため、光学スケールがベストギャップからずれることにより、どの程度コントラストが低下するかは重要な値となる。
【００８５】
そこで本実施形態では光学スケール３の一点近傍に凹面ミラー４の曲率中心が位置するようにし、又光源１と凹面ミラー４とがレンズ系２によって略共役関係となるようにして光学スケール３がベストギャップからずれた場合のコントラストの低下を少なくし、Ｓ／Ｎ比の良い信号を得ている。
【００８６】
本実施形態では以上のように光学スケールに入射し、凹面ミラーで反射して光学スケールに再入射するときの主光線の入射位置が半径方向に異なるように設定することによって、光源，光学スケール，受光手段等の配置の自由度を増し、装置全体の小型化を図りつつ、回転物体（光学スケール）の回転情報を高精度に検出している。
【００８７】
又、光源と凹面ミラーとがレンズ系によって略共役関係となるようにし、更に光学スケールの一部が凹面ミラーの略曲率半径の位置となるように設定することによって光学スケールと凹面ミラーとの間隔（ギャップ）の設計値からの許容値の緩和を図っている。
【００８８】
図１６，図１７は各々本実施形態において光源から射出し、レンズ系を介した光束１０１が光学スケール３の第１領域３ａに入射した後に回折し、凹面ミラー４面上に結像し，凹面ミラー４で反射して光学スケール３の第２領域３ｂを通過する光束１０２の他の実施形態の光路を示す説明図である。
【００８９】
図１６（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）はレンズ系を介した光束１０１が光学スケール３の格子部上の回転軸３ｅに近い方の第１領域３ａから入射し、凹面ミラー４で反射して回転軸３ｅの遠い方の第２領域３ｂに再入射する場合を示している。
【００９０】
即ち凹面ミラー４により第１領域３ａの格子部を第２領域３ｂに拡大結像する場合を示している。このうち、図１６（Ａ）では光束１０１が第１領域３ａに垂直に入射し、凹面ミラー４で反射した後に第２領域３ｂに斜入射する場合、図１６（Ｂ），（Ｃ）では光束１０１が第１領域３ａと第２領域３ｂに各々斜入射する場合を示している。
【００９１】
図１７（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）はレンズ系を介した光束１０１が光学スケール３の格子部上の回転軸３ｅに遠い方の第１領域３ａから入射し、凹面ミラー４で反射して、回転軸３ｅの近い方の第２領域３ｂに再入射する場合を示している。即ち凹面ミラー４によって第１領域３ａの格子部を第２領域３ｂに縮小結像する場合を示している。このうち、図１７（Ａ）は光束１０１が第１領域３ａに斜入射し、凹面ミラー４で反射した後に第２領域３ｂに垂直に入射する場合、図１７（Ｂ），（Ｃ）は光束１０１が第１領域３ａと第２領域３ｂに各々斜入射する場合を示している。図１６，図１７の各構成においても前述の実施形態２と同様の効果を得ている。
【００９２】
図１８は本発明の実施形態３の要部概略図である。本実施形態は図６〜図１７に示した実施形態２に比べて、
・光照射手段１からの光束をレンズ系２によって平行光束として光学スケール３の第１領域３ａに入射させていること。
【００９３】
・光学スケール３の第１領域３ａからの０次光と±ｎ次回折光を凹面ミラー４によってその焦点位置４ｃに集光した後に発散光として光学スケール３の第２領域３ｂに入射させて、その面上に干渉縞を形成していること。
の点が異なっているだけであり、その他の構成は同じである。
【００９４】
即ち本実施形態では図１８に示すように、光照射手段１からの光束をレンズ系で平行光束として放射状のＶ溝を一定周期に配設した格子部を円板上の周上に設けた回転可能な光学スケール３上の第１領域３ａに入射させ、第１領域３ａの格子部で回折した回折光を凹面ミラー４で反射させ焦点位置４ｃに集光させた後に発散光として光学スケールの第２領域３ｂに入射させ、第２領域３ｂの格子部を介した光束を受光手段５で受光することにより、該光学スケール３の変位情報を検出している。
【００９５】
このとき第１領域３ａと第２領域３ｂは該光学スケール３の回転軸３ｅの半径方向に対して異なった領域に位置しており、凹面ミラー４は該光学スケール３の第１領域３ａを第２領域３ｂに偏心系で結像している。
【００９６】
図１９は本発明の実施形態４の要部概略図である。本実施形態は図６〜図１７に示した実施形態２に比べて、
・光照射手段１からの光束をレンズ系２によって集光させて光学スケール３の第１領域３ａに入射させるとき凹面ミラー４の焦点位置４ｃに集光するようにしていること。
【００９７】
・光学スケール３の第１領域３ａからの回折光が焦点位置４ｃで集光した後に、発散光となって凹面ミラー４で反射した後に平行光束となって光学スケール３の第２領域３ｂに入射して、その面上に干渉縞を形成していること。
の点が異なっているだけであり、その他の構成は同じである。
【００９８】
即ち本実施形態では図１９に示すように、光照射手段１からの光束をレンズ系２で集光して放射状のＶ溝を一定周期に配設した格子部を円板上の周上に設けた回転可能な光学スケール３上の第１領域３ａに入射させ、第１領域３ａの格子部で回折した回折光を凹面ミラー４の焦点位置４ｃに集光した後に発散光束として凹面ミラー４で反射させて平行光束とした後に光学スケール３の第２領域３ｂに入射させ、該第２領域３ｂの格子部を介した光束を受光手段５で受光することにより、光学スケール３の変位情報を検出している。
【００９９】
このとき、第１領域３ａと第２領域３ｂは該光学スケール３の回転軸３ｅの半径方向に対して異なった領域に位置しており、凹面ミラー４は光学スケール３の第１領域３ａを第２領域３ｂに偏心系で結像している。
【０１００】
図２０は本発明の実施形態５の要部概略図、図２１は図２０の一部分の拡大斜視図である。本実施形態は図６〜図１７に示した実施形態２に比べて
・光照射手段１からの光束をレンズ系２によって平行光束として光学スケール３の第１領域３ａに入射させていること。
【０１０１】
・第１領域３ａの格子部で回折された０次光と±ｎ次回折光の平行光を各々平面ミラー４１，４２，４３で反射させて、光学スケール３の第２領域３に入射させて、その面上に干渉縞を形成していること。
の点が異なっているだけであり、その他の構成は同じである。
【０１０２】
即ち本実施形態では図２０，図２１に示すように、光照射手段１からの光束をレンズ系２で平行光束１０１として直線状のＶ溝を一定周期に配設した格子部を基板上に設けた移動可能な光学スケール３上の第１領域３ａに入射させ、第１領域３ａの格子部で回折した０次光Ｌ（０）と±ｎ次（ｎ＝１）回折光Ｌ（＋），Ｌ（−１）の平行光を平面ミラー４１，４２，４３で各々反射させて光学スケール３の第２領域３ｂに入射させ、第２領域３ｂの格子部を介した光束を受光手段５で受光することにより、光学スケール３の変位情報を検出している。
【０１０３】
ここで第１領域３ａと第２領域３ｂは該光学スケール３の回転軸３ｅの半径方向に対して異なった領域に位置している。
【０１０４】
尚、各実施形態において光学スケール３の第１領域を透過した回折光は、３光束以上であっても良い。
【０１０５】
尚、本発明において光学スケールの位相差の検出する為の格子部として断面形状がＶ形状のＶ溝格子を用いたが、他の形状で同様の機能を有するものであれば同様に適用可能である。
【０１０６】
例えば図２２〜図２６に示すような格子部を有する光学スケールを用いても良い。
【０１０７】
図２２（Ａ），（Ｂ）は本発明に係る光学スケール３の格子部３ｄの他の実施形態の要部断面図である。本実施形態は図１１に示した格子部３ｄを構成する平面より成る傾斜面の代わりに曲率を有した曲面より構成した点が異なっており、その他の構成は同じである。
【０１０８】
即ち円板状の基板３ｃの表面上に一定周期の複数の放射格子より成る格子部３ｄを設けている。この格子部３ｄは１つの平面部３０ａと曲率を有した２つの曲面３０ｂ−１，３０ｂ−２が所定のピッチＰで交互に配列して構成している。
【０１０９】
図２２（Ａ）は第１領域３ａに相当し、格子部３ｄの平面部３０ａに入射した光束のみが光学スケール３を通過し、曲面３０ｂ−１（３０ｂ−２）に入射した光束は曲面３０ｂ−１（３０ｂ−２）及び平面部３０ａで全反射し、入射方向に戻されている状態を示している。
【０１１０】
図２２（Ｂ）は光学スケールの第２領域３ｂに入射した光束の光路を示している。このように格子部３ｄは図１１（Ａ），（Ｂ）で示したのと同様に、透過型の振幅回折格子と同様の光学作用を有している。
【０１１１】
図２３（Ａ），（Ｂ）は本発明に係る光学スケール３の格子部３ｄの他の実施形態の要部断面図である。本実施形態は図１１に示した格子部３ｄを構成する平面より成る傾斜面の代わりに曲率を有した曲面３０ｂ−１，３０ｂ−２とし、かつ曲面と曲面との間に平面部３０ｂ−３より構成した点が異なっており、その他の構成は同じである。
【０１１２】
即ち円板状の基板３ｃの表面上に一定周期の複数の放射格子より成る格子部３ｄを設けている。この格子部３ｄは１つの平面部３０ａと曲率を有した２つの曲面３０ｂ−１，３０ｂ−２、そして平面部３０ｂ−３が所定のピッチＰで交互に配列して構成している。
【０１１３】
図２３（Ａ）は第１領域３ａに相当し、格子部３ｄの平面部３０ａと平面部３０ｂ−３に入射した光束のみが光学スケール３を通過し、曲面３０ｂ−１（３０ｂ−２）に入射した光束は曲面３０ｂ−１（３０ｂ−２）及び平面部３０ａで全反射し、入射方向に戻されている状態を示している。
【０１１４】
図２３（Ｂ）は光学スケールの第２領域３ｂに入射した光束の光路を示している。このように格子部３ｄは図１１（Ａ），（Ｂ）で示したのと同様に、透過型の振幅回折格子と同様の光学作用を有している。
【０１１５】
図２４（Ａ），（Ｂ）は本発明に係る光学スケール３の格子部３ｄの他の実施形態の要部断面図である。本実施形態は図６のＶ溝の代わりに３角形状の突出部（３０ｂ−１，３０ｂ−２）より構成した点が異なっており、その他の構成は同じである。
【０１１６】
即ち円板状の基板３ｃの表面上に一定周期の複数の放射格子より成る格子部３ｄを設けている。この格子部３ｄは１つの平面部３０ａと平面より成る２つの平面部３０ｂ−１，３０ｂ−２が所定のピッチＰで交互に配列して構成している。
【０１１７】
図２４（Ａ）は第１領域３ａに相当し、格子部３ｄの平面部３０ａに入射した光束のみが光学スケール３を通過し、平面部３０ｂ−１（３０ｂ−２）に入射した光束は他の平面部３０ｂ−２（３０ｂ−１）で全反射し、入射方向に戻されている状態を示している。
【０１１８】
図２４（Ｂ）は光学スケールの第２領域３ｂに入射した光束の光路を示している。このように格子部３ｄは図１１（Ａ），（Ｂ）で示したのと同様に、透過型の振幅回折格子と同様の光学作用を有している。
【０１１９】
図２５（Ａ），（Ｂ）は本発明に係る光学スケール３の格子部３ｄの他の実施形態の要部断面図である。本実施形態は図１１のＶ溝の代わりに曲率を有した２つの曲面３０ｂ−ｂ，３０ｂ−２より成る突出部を形成した点が異なっており、その他の構成は同じである。
【０１２０】
即ち円板状の基板３ｃの表面上に一定周期の複数の放射格子より成る格子部３ｄを設けている。この格子部３ｄは１つの平面部３０ａと曲率を有し、突出した２つの曲面３０ｂ−１，３０ｂ−２が所定のピッチＰで交互に配列して構成している。
【０１２１】
図２５（Ａ）は第１領域３ａに相当し、格子部３ｄの平面部３０ａに入射した光束のみが光学スケール３を通過し、曲面３０ｂ−１（３０ｂ−２）に入射した光束は曲面３０ｂ−１（３０ｂ−２）で全反射し、入射方向に戻されている状態を示している。
【０１２２】
図２５（Ｂ）は光学スケールの第２領域３ｂに入射した光束の光路を示している。このように格子部３ｄは図１１（Ａ），（Ｂ）で示したのと同様に、透過型の振幅回折格子と同様の光学作用を有している。
【０１２３】
図２６（Ａ），（Ｂ）は本発明に係る光学スケール３の格子部３ｄの他の実施形態の要部断面図である。本実施形態は図１１に示した格子部３ｄを構成する平面より成る傾斜面の代わりに曲率を有した曲面３０ｂ−１，３０ｂ−２とし、曲面と曲面との間に平面部３０ｂ−３より構成した点が異なっており、その他の構成は同じである。
【０１２４】
即ち円板状の基板３ｃの表面上に一定周期の複数の放射格子より成る格子部３ｄを設けている。この格子部３ｄは１つの平面部３０ａと曲率を有した２つの曲面３０ｂ−１，３０ｂ−２が所定のピッチＰで交互に配列して構成している。
【０１２５】
図２６（Ａ）は第１領域３ａに相当し、格子部３ｄの平面部３０ａと平面部３０ｂ−３に入射した光束のみが光学スケール３を通過し、曲面３０ｂ−１（３０ｂ−２）に入射した光束は曲面３０ｂ−１（３０ｂ−２）及び曲面３０ｂ−２（３０ｂ−１）で全反射し、入射方向に戻されている状態を示している。
【０１２６】
図２６（Ｂ）は光学スケールの第２領域３ｂに入射した光束の光路を示している。このように格子部３ｄは図１１（Ａ），（Ｂ）で示したのと同様に、透過型の振幅回折格子と同様の光学作用を有している。
【０１２７】
【発明の効果】
本発明によれば、従来、複雑な構成に成りがちな自己投射型の検出方式での位相差検出が容易に実現可能となり、さらに、小型ながら、より高分解能な位置を検出可能とする自己投射型の検出装置が提供できるようになった。
【０１２８】
特に波面分割により光束が互いに広がっていく方向である格子配列方向に垂直な方向に第１，第２領域を配置したことにより、スケールへの光束照射手段と受光手段とを空間的に間をそれ程あけずに配置する事が可能となり、より小型化した構成が実現される。
【０１２９】
又、本発明によれば、第１領域の格子部からの回折光を凹面ミラー近傍で集光させて反射させて、第１領域の移動に垂直な方向にある第２領域に等倍結像し、第２領域からの光を受光する構成により各部材の配置上の空間を少なくすると共に装置全体の簡素化を図りつつ、又各部材の配置上の許容誤差を緩和しつつ変位物体の変位情報を高精度に検出するリニアエンコーダに好適な変位情報検出装置を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１の要部斜視図
【図２】本発明の実施形態１の要部斜視図
【図３】本発明の実施形態１の一部分の説明図
【図４】本発明の実施形態１の一部分の説明図
【図５】従来のエンコーダの要部概略図
【図６】本発明の実施形態２の一部分の要部斜視図
【図７】本発明の実施形態２の一部分の要部斜視図
【図８】本発明の実施形態２の一部分の要部断面図
【図９】本発明の実施形態２の一部分の光学スケールと凹面ミラーとの説明図
【図１０】本発明の実施形態２の一部分の光学スケールの説明図
【図１１】本発明の実施形態２の一部分の光学スケールの格子部と受光手段からの信号の説明図
【図１２】本発明の実施形態２の光学スケール上の再結像した像の説明図
【図１３】本発明の実施形態２における凹面ミラーの偏心量に対するスケールピッチと重ね合わせピッチの説明図
【図１４】本発明の実施形態２における凹面ミラーの偏心量に対するスケールピッチと重ね合わせピッチの説明図
【図１５】本発明の実施形態２の一部分の要部断面図
【図１６】本発明の実施形態２における光学スケールへの光束の入射状態を示す他の実施形態の説明図
【図１７】本発明の実施形態２における光学スケールへの光束の入射状態を示す他の実施形態の説明図
【図１８】本発明の実施形態３の一部分の要部断面図
【図１９】本発明の実施形態４の一部分の要部断面図
【図２０】本発明の実施形態５の一部分の要部断面図
【図２１】図２０の一部分の拡大斜視図
【図２２】本発明に係る光学スケールの他の実施形態の説明図
【図２３】本発明に係る光学スケールの他の実施形態の説明図
【図２４】本発明に係る光学スケールの他の実施形態の説明図
【図２５】本発明に係る光学スケールの他の実施形態の説明図
【図２６】本発明に係る光学スケールの他の実施形態の説明図
【符号の説明】
１ 光源
２ レンズ系
３，３１ 光学スケール
３ａ，３１ａ 第１領域
３ｂ，３１ｂ 第２領域
３ｃ，３１ｃ 基板
３ｄ，３１ｄ 格子部
３ｅ 回転軸
４ 凹面ミラー
４ａ 光軸
４１，４２，４３ 平面ミラー
５ 受光手段
１０１，１０２ 入射光束
１０１ａ，１０２ａ 主光線
１０３ 信号処理回路

Claims (6)

1. 平坦部位とＶ溝形状部位の周期的な構造からなる格子部を有する相対変位可能なスケール手段と、
   前記格子部は、一方の面から光束が入射されたときに振幅格子として作用する第１領域と、
   前記第１領域に対してその変位方向に略垂直な方向に配置され、前記第１領域と同一方向に変位し、他方の面から光束が入射されたときに波面分割を実行する第２領域を有し、
   前記第１領域の一方の面に、該第１の領域と該第２の領域との光路の間で収束する光束を投光するための光照射手段と、
   前記第１領域を透過し、回折した光束を反射し、他方の面から前記第２領域に入射させ前記第２領域にスケール手段の移動方向とは逆の方向に移動する干渉パターンを得るための反射手段と、
   前記第２領域に入射し、前記格子部の平坦部位と V 溝形状部位の作用により波面分割された複数の光束を各々受光し、前記スケール手段の相対変位情報を得る為の受光素子と、を有することを特徴とする変位情報検出装置。
2. 前記前記スケール手段との間の相対変位情報は相対的直動変位情報または相対的回転変位情報であることを特徴とする請求項１に記載の変位情報検出装置。
3. 前記反射手段は凹面ミラーであることを特徴とする請求項１の変位情報検出装置。
4. 前記光照射手段からの光束を集光性の光束とする為のレンズ系を有し、前記第１領域からの±ｎ次回折光は前記凹面ミラーの面又はその近傍に集光しており、該凹面ミラーは前記格子部の第１領域を第２領域に等倍で結像していることを特徴とする請求項３の変位情報検出装置。
5. 前記±ｎ次回折光の複数の回折光は、前記凹面ミラーで反射して前記格子部の第２領域で重ね合わされて干渉パターンを形成していることを特徴とする請求項４の変位情報検出装置。
6. 前記スケール手段の一部は前記凹面ミラーの曲率中心に位置していることを特徴とする請求項４、又は５の変位情報検出装置。

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