JP7224747B1 - Displacement detection member and displacement detection device - Google Patents

Displacement detection member and displacement detection device Download PDF

Info

Publication number
JP7224747B1
JP7224747B1 JP2022138327A JP2022138327A JP7224747B1 JP 7224747 B1 JP7224747 B1 JP 7224747B1 JP 2022138327 A JP2022138327 A JP 2022138327A JP 2022138327 A JP2022138327 A JP 2022138327A JP 7224747 B1 JP7224747 B1 JP 7224747B1
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
axis direction
displacement
wavelength band
grating
detection head
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2022138327A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2024034222A (en
Inventor
祥幸 見寺
英明 田宮
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
DMG Mori Co Ltd
Original Assignee
DMG Mori Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by DMG Mori Co Ltd filed Critical DMG Mori Co Ltd
Priority to JP2022138327A priority Critical patent/JP7224747B1/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7224747B1 publication Critical patent/JP7224747B1/en
Publication of JP2024034222A publication Critical patent/JP2024034222A/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

Figure 0007224747000001

【課題】被測定部材側への設置スペースが有効活用できる変位検出装置を提供する。
【解決手段】変位検出部材は、被測定部材の第1方向の第1変位を検出する第1検出ヘッドと、被測定部材の第1方向と異なる第2方向である高さ方向の第2変位を検出する第2検出ヘッドと、で検出された検出信号に基づいて被測定部材の変位を検出する。変位検出部材は、回折格子と、回折格子を保護する保護層と、第1波長帯域の光が保護層を通り回折格子に向かうように透過させ、第2波長帯域の光を反射させる波長帯域選択層と、を備える。波長帯域選択層は、第1検出ヘッドにより検出される第1波長帯域の光が通過する通過領域を有し、通過領域上で反射した第2波長帯域の光を第2検出ヘッドが検出し、検出された検出信号に基づいて第2検出ヘッドが第2変位を検出できるように形成されている。
【選択図】図2

Figure 0007224747000001

A displacement detection device capable of effectively utilizing an installation space on the side of a member to be measured is provided.
A displacement detection member includes a first detection head that detects a first displacement of the member to be measured in a first direction, and a second displacement in a height direction that is a second direction different from the first direction of the member to be measured. and detecting the displacement of the member to be measured based on the detection signal detected by the second detection head. The displacement detection member includes a diffraction grating, a protective layer that protects the diffraction grating, and a wavelength band selector that transmits light in a first wavelength band through the protective layer toward the diffraction grating and reflects light in a second wavelength band. a layer; The wavelength band selection layer has a passage area through which light in a first wavelength band detected by the first detection head passes, and the second detection head detects light in a second wavelength band reflected on the passage area, A second detection head is formed to detect the second displacement based on the detected detection signal.
[Selection drawing] Fig. 2

Description

本発明は、光源から出射された光を用いる非接触センサによって被測定部材の変位を検出する変位検出装置に関する。 The present invention relates to a displacement detection device that detects displacement of a member to be measured using a non-contact sensor that uses light emitted from a light source.

従来、被測定部材の変位や姿勢を非接触で測定する装置として、光を用いる変位検出装置が広く利用されている(特許文献1参照)。 Conventionally, a displacement detection device using light has been widely used as a device for non-contact measurement of the displacement and orientation of a member to be measured (see Patent Document 1).

特許文献1には、移動体にスケールを設け、移動体の移動面内における位置情報をエンコーダシステムにより計測する技術が開示されている。このエンコーダシステムでは、スケールに光を照射し、スケールの回折格子で反射された光を受光することにより位置情報を計測する。 Patent Literature 1 discloses a technique of providing a scale on a moving body and measuring position information of the moving body within a moving plane by an encoder system. In this encoder system, positional information is measured by irradiating the scale with light and receiving the light reflected by the diffraction grating of the scale.

米国特許出願公開第2008/094592号明細書 (国際公開第2008/026742号)U.S. Patent Application Publication No. 2008/094592 (International Publication No. 2008/026742) 米国特許第7573581号明細書U.S. Pat. No. 7,573,581

しかしながら、このようなエンコーダシステムでは移動体について複数の異なる方向の変位を計測する場合、その方向ごとに対応させてスケールを設ける必要性がある。そのため、移動体への設置スペースの関係上、各スケールでの検出可能範囲が制限される。 However, in such an encoder system, when measuring the displacement of a moving object in a plurality of different directions, it is necessary to provide a scale corresponding to each direction. Therefore, the detectable range at each scale is limited due to the installation space on the moving body.

そこで、本発明は、これらの課題を解決できる変位検出装置等を提供するものである。 Accordingly, the present invention provides a displacement detection device and the like that can solve these problems.

本発明によれば、被測定部材側への設置スペースが有効活用できる。 According to the present invention, the installation space on the side of the member to be measured can be effectively utilized.

第1実施形態に係る変位検出装置の構成を模式的に表す図である。1 is a diagram schematically showing the configuration of a displacement detection device according to a first embodiment; FIG. スケールの構成を表す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of a scale; 波長帯域選択層の特性の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the characteristic of a wavelength band selection layer. 第1検出ヘッドの構成を表す図である。FIG. 3 is a diagram showing the configuration of a first detection head; 受光部の構成を表す図である。It is a figure showing the structure of a light-receiving part. 第2検出ヘッドの構成を表す図である。It is a figure showing the structure of a 2nd detection head. スケールの構造を模式的に表す図である。FIG. 4 is a diagram schematically showing the structure of a scale; 演算機の具体例を表す図である。It is a figure showing the example of a calculator. 第2実施形態に係る変位検出装置の構成を模式的に表す図である。FIG. 7 is a diagram schematically showing the configuration of a displacement detection device according to a second embodiment; スケールの構成を模式的に表す図である。It is a figure showing the structure of a scale typically. 演算機の具体例を表す図である。It is a figure showing the example of a calculator. 第3実施形態に係る変位検出装置の構成を模式的に表す図である。FIG. 11 is a diagram schematically showing the configuration of a displacement detection device according to a third embodiment; 演算機の具体例を表す図である。It is a figure showing the example of a calculator.

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施形態およびその変形例について、ほぼ同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。
[第1実施形態]
図1は、第1実施形態に係る変位検出装置の構成を模式的に表す図である。
変位検出装置1は、スケール2、第1検出ヘッド3、第2検出ヘッド4および演算機5を備える。スケール2は、回折格子を内蔵する変位検出部材であり、X軸方向、Y軸方向もしくはZ軸方向に移動可能なステージに設置可能である。ステージは、図示略の移動体(被測定部材)に設けられる。本実施形態では、スケール2の面が広がる方向、つまりスケール2が設置される平面の方向にX軸方向およびY軸方向を設定し、その平面(XY平面)と直交するスケール2の高さ方向をZ軸方向とする。なお、回折格子を内蔵するスケールを「回折格子スケール」ともよぶ。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, about the following embodiment and its modification, the same code|symbol is attached|subjected about the substantially same component, and the description is abbreviate|omitted suitably.
[First embodiment]
FIG. 1 is a diagram schematically showing the configuration of the displacement detection device according to the first embodiment.
A displacement detection device 1 includes a scale 2 , a first detection head 3 , a second detection head 4 and a computing machine 5 . The scale 2 is a displacement detection member incorporating a diffraction grating, and can be installed on a stage movable in the X-axis direction, the Y-axis direction, or the Z-axis direction. The stage is provided on a moving body (member to be measured) (not shown). In this embodiment, the X-axis direction and the Y-axis direction are set in the direction in which the surface of the scale 2 spreads, that is, in the direction of the plane on which the scale 2 is installed, and the height direction of the scale 2 is orthogonal to that plane (XY plane). is the Z-axis direction. A scale that incorporates a diffraction grating is also called a "diffraction grating scale".

第1検出ヘッド3は、「第1格子干渉型変位検出ヘッド」として機能し、スケール2のX軸方向(第1方向)の変位情報(第1変位)を出力する。つまり、第1検出ヘッド3は、移動体の第1方向の第1変位を検出する。第2検出ヘッド4は、「第2格子干渉型変位検出ヘッド」として機能し、Z軸方向(第2方向)の変位情報(第2変位)を出力する。つまり、第2検出ヘッド4は、移動体の第2方向である高さ方向の第2変位を検出する。変位検出装置1は、第1検出ヘッド3および第2検出ヘッド4で検出された検出信号に基づいて移動体の変位を検出する。 The first detection head 3 functions as a "first grating interference displacement detection head" and outputs displacement information (first displacement) of the scale 2 in the X-axis direction (first direction). That is, the first detection head 3 detects the first displacement of the moving body in the first direction. The second detection head 4 functions as a "second grating interference displacement detection head" and outputs displacement information (second displacement) in the Z-axis direction (second direction). That is, the second detection head 4 detects the second displacement in the height direction, which is the second direction of the moving body. The displacement detection device 1 detects displacement of the moving body based on detection signals detected by the first detection head 3 and the second detection head 4 .

図2は、スケール2の構成を表す断面図である。
スケール2は、基材2a上に回折格子2bを配置して構成される。回折格子2bの表面は、一定の厚みを有する保護層2cにより覆われて保護される。保護層2cの上面は平滑であり、波長帯域選択層2dが配置される。波長帯域選択層2dは、第1波長帯域の光が通過する通過領域を有し、その通過領域上(上面)で第2波長帯域の光を反射させる。波長帯域選択層2dは、第1波長帯域の光を透過させ、第2波長帯域の光を反射させる多層膜である。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the scale 2. As shown in FIG.
The scale 2 is configured by arranging a diffraction grating 2b on a substrate 2a. The surface of the diffraction grating 2b is covered and protected by a protective layer 2c having a certain thickness. The upper surface of the protective layer 2c is smooth, and the wavelength band selection layer 2d is arranged thereon. The wavelength band selection layer 2d has a passage region through which light in the first wavelength band passes, and reflects light in the second wavelength band on the passage region (upper surface). The wavelength band selection layer 2d is a multilayer film that transmits light in the first wavelength band and reflects light in the second wavelength band.

基材2aとして、ガラス基板や金属基板、樹脂シートなどを採用する。回折格子2bは、X軸方向に平行な第1格子ベクトルを有する反射型の回折格子である。回折格子2bは、例えば周期的な凹凸が記録されたクロム膜の上に、反射率の高いアルミや金、銀などを反射層としてコーティングしたものでもよい。凹凸の周期Λは、格子のピッチでありサブミクロンから数ミクロンを想定する。 A glass substrate, a metal substrate, a resin sheet, or the like is adopted as the base material 2a. Diffraction grating 2b is a reflective diffraction grating having a first grating vector parallel to the X-axis direction. The diffraction grating 2b may be, for example, a chromium film in which periodic irregularities are recorded and coated with aluminum, gold, silver, or the like having high reflectance as a reflective layer. The period Λ of the unevenness is the pitch of the grating and is assumed to be submicron to several microns.

保護層2cは、回折格子2bを保護する役割と、上面に波長帯域選択層2dを配置する役割を有し、本実施形態では二層構造を有する。波長帯域選択層2dとしては、第1波長帯域を効率よく透過させるよう、厚みがサブミクロンから数ミリメートルのものを想定する。波長帯域選択層2dは、材料としてのSiOをCVD(Chemical Vapor Deposition)やスパッタリングにより保護層2cに成膜して形成してもよい。また樹脂の接着剤等でカバーガラスを接着してもよい。その際、接着剤の屈折率とカバーガラスの屈折率を合わせるのが好ましい。波長帯域選択層2dは、例えば790nmを中心波長とする第1波長帯域の光を透過させ、655nmを中心波長とする第2波長帯域の光を反射させる特性を有するものでよい。 The protective layer 2c has a role of protecting the diffraction grating 2b and a role of arranging the wavelength band selection layer 2d on the top surface, and has a two-layer structure in this embodiment. The wavelength band selection layer 2d is assumed to have a thickness of submicrons to several millimeters so as to efficiently transmit the first wavelength band. The wavelength band selection layer 2d may be formed by forming a film of SiO 2 as a material on the protective layer 2c by CVD (Chemical Vapor Deposition) or sputtering. Alternatively, the cover glass may be adhered with a resin adhesive or the like. At that time, it is preferable to match the refractive index of the adhesive with the refractive index of the cover glass. The wavelength band selection layer 2d may have a characteristic of transmitting light in a first wavelength band centered at 790 nm and reflecting light in a second wavelength band centered at 655 nm, for example.

図3は、波長帯域選択層2dの特性の一例を示す図である。
波長帯域選択層2dは、「バンドパスフィルタ」として機能し、655±10nm(645~665nm)の波長帯域(「第2波長帯域」に対応する)をもつ入射光においては93%以上を反射し、1%以下を透過する。また、790±10nm(780~800nm)の波長帯域(「第1波長帯域」に対応する)をもつ入射光においては93%以上を透過し、1%以下を反射する。
FIG. 3 is a diagram showing an example of the characteristics of the wavelength band selection layer 2d.
The wavelength band selection layer 2d functions as a “bandpass filter” and reflects 93% or more of incident light having a wavelength band of 655±10 nm (645 to 665 nm) (corresponding to the “second wavelength band”). , 1% or less. In addition, 93% or more of incident light having a wavelength band of 790±10 nm (780 to 800 nm) (corresponding to the “first wavelength band”) is transmitted, and 1% or less is reflected.

波長帯域選択層2dは、第1波長帯域の光に対し、特定の波長と波長帯域選択層2dへの入射角で高い透過率を有する。第1波長帯域として波長の帯域幅をもたせるのは、光源の波長のばらつきや、波長帯域選択層2dへの入射角のばらつきを許容するためである。また、波長帯域選択層2dは、第2波長帯域の光に対し、特定の波長と波長帯域選択層2dへの入射角で高い反射率を有する。第2波長帯域として波長の帯域幅をもたせるのは、光源の波長のばらつきや、波長帯域選択層2dへの入射角のばらつきを許容するためである。 The wavelength band selection layer 2d has a high transmittance for light in the first wavelength band at a specific wavelength and an incident angle to the wavelength band selection layer 2d. The reason why the first wavelength band has a wavelength bandwidth is to allow variations in the wavelength of the light source and variations in the angle of incidence on the wavelength band selection layer 2d. Further, the wavelength band selection layer 2d has a high reflectance with respect to light in the second wavelength band at a specific wavelength and an incident angle to the wavelength band selection layer 2d. The reason why the second wavelength band is provided with a wavelength bandwidth is to allow variations in the wavelength of the light source and variations in the angle of incidence on the wavelength band selection layer 2d.

図2には、中心波長が790nmの光B1(第1波長帯域の光)と、中心波長が655nmの光B2(第2波長帯域の光)のそれぞれのスケール2における反射の一例が示されている。光B1は、例えば入射角27.7°でスケール2に導かれ、波長帯域選択層2dの表面では反射せず、波長帯域選択層2dおよび保護層2cを透過し、回折格子2bの表面で反射、回折される(点線矢印参照)。 FIG. 2 shows an example of reflection on scale 2 of light B1 (light in the first wavelength band) with a center wavelength of 790 nm and light B2 (light in the second wavelength band) with a center wavelength of 655 nm. there is The light B1 is guided to the scale 2 at an incident angle of 27.7°, for example, is not reflected by the surface of the wavelength band selection layer 2d, passes through the wavelength band selection layer 2d and the protective layer 2c, and is reflected by the surface of the diffraction grating 2b. , is diffracted (see dotted arrow).

一方、光B2は、例えば入射角45°でスケール2に導かれ、波長帯域選択層2dの表面で反射される(実線矢印参照)。図2に示すように、光B1,B2がスケール2の表面の同じ位置P1に導かれたとしても、一方は透過し、他方は反射する。言い換えれば、第1波長帯域の光と第2波長帯域の光について、スケール2の同じ入射箇所を利用できる。 On the other hand, the light B2 is guided to the scale 2 at an incident angle of 45°, for example, and reflected by the surface of the wavelength band selection layer 2d (see the solid line arrow). As shown in FIG. 2, even if the lights B1 and B2 are guided to the same position P1 on the surface of the scale 2, one is transmitted and the other is reflected. In other words, the same incident point on the scale 2 can be used for the light in the first wavelength band and the light in the second wavelength band.

図4は、第1検出ヘッド3の構成を表す図である。
第1検出ヘッド3は、光源3a、偏光ビームスプリッタ3b、ミラー3c,3d、ミラー付位相板3e,3fおよび受光部3gを含む。偏光ビームスプリッタ3bは「第1偏光ビームスプリッタ」として機能し、ミラー3c,3dは「第1反射手段」として機能し、受光部3gは「第1受光手段」として機能する。なお、以下では便宜上、偏光ビームスプリッタ(Polarizing Beam Splitter)を「PBS」とも表記する。第1検出ヘッド3は、スケール2において波長帯域選択層2dを透過して回折格子2bで反射された第1波長帯域の光を検出する。
FIG. 4 is a diagram showing the configuration of the first detection head 3. As shown in FIG.
The first detection head 3 includes a light source 3a, a polarizing beam splitter 3b, mirrors 3c and 3d, phase plates with mirrors 3e and 3f, and a light receiving portion 3g. The polarizing beam splitter 3b functions as a "first polarizing beam splitter", the mirrors 3c and 3d function as a "first reflecting means", and the light receiving section 3g functions as a "first light receiving means". In addition, below, a polarizing beam splitter (Polarizing Beam Splitter) is also written as "PBS" for convenience. The first detection head 3 detects the light in the first wavelength band that has passed through the wavelength band selection layer 2d on the scale 2 and has been reflected by the diffraction grating 2b.

光源3aは、第1波長帯域の光を出射する第1光源であり、例えばレーザダイオードやLED、スーパールミネッセントダイオード、個体レーザ、ガスレーザ等の可干渉性光源を採用できる。特に、可干渉性光源でありながら可干渉距離が極めて短い、マルチモードレーザやLED、スーパールミネッセントダイオードなどが、不要干渉光の発生を防止する上で望ましい。不要干渉光は、変位検出となる干渉信号を形成する際に正弦波の波形を崩し、変位検出の精度を悪化させるためである。 The light source 3a is a first light source that emits light in a first wavelength band, and can employ a coherent light source such as a laser diode, an LED, a superluminescent diode, a solid state laser, or a gas laser. In particular, multimode lasers, LEDs, superluminescent diodes, etc., which are coherent light sources but have extremely short coherence lengths, are desirable for preventing the generation of unwanted interference light. This is because the unwanted interference light destroys the waveform of the sine wave when forming an interference signal for displacement detection, and deteriorates the accuracy of displacement detection.

光源3aから出射されたビームLは、PBS3bによってビームL1とビームL2に二分割される。このとき、ビームL1とビームL2の光量がほぼ等しくなるように光源3aから出射されるビームLの偏光の角度が定められる。 A beam L emitted from the light source 3a is split into two beams L1 and L2 by the PBS 3b. At this time, the angle of polarization of the beam L emitted from the light source 3a is determined so that the light amounts of the beam L1 and the beam L2 are substantially equal.

分割された一方のビームL1は偏光状態がP波成分であるためPBS3bを透過し、ミラー3cで反射されてスケール2に入射する。このとき、ビームL1は第1波長帯域の光であるため、スケール2の波長帯域選択層2dを透過し、保護層2cを通り回折格子2bに向かう。そして、回折格子2bによって回折してミラー付位相板3eに導かれる。ビームL1は、ミラー付位相板3eで反射される。 One of the split beams L1 has a polarization state of the P wave component, so it passes through the PBS 3b, is reflected by the mirror 3c, and enters the scale 2. FIG. At this time, since the beam L1 is light in the first wavelength band, it passes through the wavelength band selection layer 2d of the scale 2, passes through the protective layer 2c, and travels toward the diffraction grating 2b. Then, the light is diffracted by the diffraction grating 2b and guided to the mirrored phase plate 3e. The beam L1 is reflected by the mirrored phase plate 3e.

ミラー付位相板3eとしては、λ/4位相板にミラーが付けられたものを想定する。ビームL1は、ミラー付位相板3eを経ることでS波成分となり、再びスケール2に入射し、2回目の回折をして先の経路を戻る。すなわち、ビームL1は、ミラー3cに導かれて反射され、PBS3bに戻る。ビームL1は、このときS波成分となっているため、PBS3bにて反射されつつ後述のビームL2と重ね合わされ、受光部3gに導かれる。 As the mirrored phase plate 3e, a λ/4 phase plate with a mirror is assumed. The beam L1 becomes an S-wave component after passing through the phase plate 3e with a mirror, enters the scale 2 again, is diffracted a second time, and returns along the previous path. That is, beam L1 is guided by mirror 3c, reflected, and returns to PBS 3b. Since the beam L1 is an S-wave component at this time, it is reflected by the PBS 3b and overlapped with a beam L2, which will be described later, and guided to the light receiving section 3g.

分割されたもう一方のビームL2は、偏光状態がS波成分であるためPBS3bにて反射される。このビームL2は、ミラー3dで反射されてスケール2に入射する。このとき、ビームL2は第1波長帯域の光であるため、スケール2の波長帯域選択層2dを透過し、保護層2cを通り回折格子2bに向かう。そして、回折格子2bによって回折してミラー付位相板3fに導かれる。ビームL2は、ミラー付位相板3fで反射される。 The other split beam L2 is reflected by the PBS 3b because its polarization state is the S-wave component. This beam L2 is incident on the scale 2 after being reflected by the mirror 3d. At this time, since the beam L2 is light in the first wavelength band, it passes through the wavelength band selection layer 2d of the scale 2, passes through the protective layer 2c, and travels toward the diffraction grating 2b. Then, the light is diffracted by the diffraction grating 2b and guided to the mirrored phase plate 3f. The beam L2 is reflected by the mirrored phase plate 3f.

ミラー付位相板3fとしては、λ/4位相板にミラーが付けられたものを想定する。ビームL2は、ミラー付位相板3fを経ることでP波成分となり、再びスケール2に入射し、2回目の回折をして先の経路を戻る。すなわち、ビームL2は、ミラー3dに導かれて反射され、PBS3bに戻る。ビームL2は、このときP波成分となっているため、PBS3bを透過しつつビームL1と重ね合わされ、受光部3gに導かれる。 As the mirrored phase plate 3f, a λ/4 phase plate with a mirror is assumed. The beam L2 becomes a P-wave component by passing through the phase plate 3f with a mirror, enters the scale 2 again, is diffracted a second time, and returns along the previous path. That is, beam L2 is guided by mirror 3d, reflected, and returns to PBS 3b. Since the beam L2 is a P-wave component at this time, it is superimposed on the beam L1 while passing through the PBS 3b, and guided to the light receiving section 3g.

第1検出ヘッド3は、PBS3bによって二分割されたビームL1とビームL2の光路長が等しくなるよう調整されている。これは光源3aとして可干渉性の低い光源を使用する場合に有効である。光源3aとしてさらに安価な半導体レーザを用いる場合、温度変化による光源3aの波長変化の影響についても、ビームL1とビームL2の光路長が等しいことでキャンセルできる。光路内に気圧や湿度、温度変化による空気の屈折率の変化があっても、同様にキャンセルする効果が発揮される。これらは、長時間計測において、安定した計測を実現させる。 The first detection head 3 is adjusted so that the beam L1 and the beam L2 split into two by the PBS 3b have the same optical path length. This is effective when a light source with low coherence is used as the light source 3a. When a more inexpensive semiconductor laser is used as the light source 3a, the influence of the wavelength change of the light source 3a due to temperature change can be canceled by equalizing the optical path lengths of the beams L1 and L2. Even if there is a change in the refractive index of the air due to a change in air pressure, humidity, or temperature in the optical path, the same canceling effect is exhibited. These realize stable measurement in long-term measurement.

図5は、受光部3gの構成を表す図である。
受光部3gは、位相板50、ハーフミラー52、PBS54、PBS56および受光素子11a~11dを含む。PBS54に受光素子11a,11bが配置され、PBS56に受光素子11c,11dが配置される。
FIG. 5 is a diagram showing the configuration of the light receiving section 3g.
Light receiving portion 3g includes phase plate 50, half mirror 52, PBS 54, PBS 56, and light receiving elements 11a to 11d. PBS 54 is provided with light receiving elements 11a and 11b, and PBS 56 is provided with light receiving elements 11c and 11d.

PBS3bによって重ね合わされた2つのビームL1,L2の偏光成分は、それぞれS波成分とP波成分で互いに偏光軸が直交するため、そのままでは干渉しない。そこで、ビームL1,L2を位相板50に通すことで、S波成分とP波成分の光の位相状態によって特定の偏光軸の干渉強度が変化するビームとする。このビームをハーフミラー52によって二分割し、それぞれPBS54、PBS56に入射させる。 The polarized light components of the two beams L1 and L2 superimposed by the PBS 3b do not interfere with each other as they are because the polarization axes of the S wave component and the P wave component are orthogonal to each other. Therefore, by passing the beams L1 and L2 through the phase plate 50, the beams are made such that the interference intensity of a specific polarization axis changes depending on the phase state of the light of the S wave component and the P wave component. This beam is split into two by a half mirror 52 and made incident on PBS 54 and PBS 56, respectively.

PBS54は、PBS56に対して入射ビーム方向回りに45度回転させて配置される。PBS54,56は、それぞれ特定の偏光成分を透過及び反射させ、その干渉光が受光素子11a~11dによって受光され光電変換されることで干渉信号が得られる。各受光素子11a~11dで得られる干渉信号は、Acos(4Kx+δ)で表せられる。Aは干渉の振幅であり、Kは2π/Λで示される波数である。δは初期位相を示している。Λは。スケール2における格子のピッチである。 PBS 54 is positioned rotated 45 degrees about the incident beam direction with respect to PBS 56 . The PBSs 54 and 56 transmit and reflect specific polarized light components, respectively, and the interference light is received by the light receiving elements 11a to 11d and photoelectrically converted to obtain an interference signal. An interference signal obtained by each of the light receiving elements 11a to 11d is represented by Acos(4Kx+δ). A is the amplitude of the interference and K is the wavenumber denoted by 2π/Λ. δ indicates the initial phase. Λ is is the grating pitch at scale 2;

つまり、上記特定の偏光成分の干渉強度は、スケール2が格子ベクトルの方向(X軸方向)に1/4格子ピッチ(つまりΛ/4)だけ移動すると、1周期の明暗の光量変化として信号が得られる。受光素子11aと受光素子11bとは、PBS54を通過することで互いに明暗が反転した干渉光を受光し、光電変換する。さらに、PBS54をPBS56に対して略45度回転させて配置し、受光素子11a,11bに対して受光素子11c,11dの位相を90度ずらしている。これによって干渉信号の位相は、受光素子11aと受光素子11bが180°、受光素子11aと受光素子11cが90°、受光素子11cと受光素子11dが180°の位相差が発生する。 That is, when the scale 2 moves in the direction of the grating vector (X-axis direction) by 1/4 grating pitch (that is, Λ/4), the interference intensity of the specific polarization component becomes can get. The light receiving element 11a and the light receiving element 11b receive the interference light whose brightness is reversed by passing through the PBS 54, and photoelectrically convert the light. Further, the PBS 54 is rotated by approximately 45 degrees with respect to the PBS 56, and the phases of the light receiving elements 11c and 11d are shifted by 90 degrees with respect to the light receiving elements 11a and 11b. As a result, the phase difference of the interference signal is 180 degrees between the light receiving elements 11a and 11b, 90 degrees between the light receiving elements 11a and 11c, and 180 degrees between the light receiving elements 11c and 11d.

図6は、第2検出ヘッド4の構成を表す図である。
第2検出ヘッド4は、光源4a、PBS4b、ミラー4c~4g、スケール4h、PBS4iおよび受光部4jを含む。PBS4bは「第2偏光ビームスプリッタ」として機能し、ミラー4c~4gは「第2反射手段」として機能し、PBS4iは「ビーム結合手段」として機能し、受光部4jは「第2受光手段」として機能する。第2検出ヘッド4は、スケール2における波長帯域選択層2dの通過領域上で反射した第2波長帯域の光を検出する。
FIG. 6 is a diagram showing the configuration of the second detection head 4. As shown in FIG.
The second detection head 4 includes a light source 4a, a PBS 4b, mirrors 4c-4g, a scale 4h, a PBS 4i and a light receiving section 4j. The PBS 4b functions as a "second polarizing beam splitter", the mirrors 4c to 4g function as a "second reflecting means", the PBS 4i functions as a "beam combining means", and the light receiving section 4j functions as a "second light receiving means". Function. The second detection head 4 detects the light of the second wavelength band reflected on the passing region of the wavelength band selection layer 2d on the scale 2. FIG.

光源4aは、第2波長帯域の光を出射する第2光源であり、例えばレーザダイオードやLED、スーパールミネッセントダイオード、個体レーザ、ガスレーザ等の可干渉性光源を採用できる。特に、可干渉性光源でありながら可干渉距離が極めて短い、マルチモードレーザやLED、スーパールミネッセントダイオードなどが、不要干渉光の発生を防止する上で望ましい。不要干渉光は、変位検出となる干渉信号を形成する際に正弦波の波形を崩し、変位検出の精度を悪化させるためである。 The light source 4a is a second light source that emits light in a second wavelength band, and can employ a coherent light source such as a laser diode, an LED, a superluminescent diode, a solid state laser, or a gas laser. In particular, multimode lasers, LEDs, superluminescent diodes, etc., which are coherent light sources but have extremely short coherence lengths, are desirable for preventing the generation of unwanted interference light. This is because the unwanted interference light destroys the waveform of the sine wave when forming an interference signal for displacement detection, and deteriorates the accuracy of displacement detection.

光源4aから出射されたビームL10は、PBS4bによってビームL11とビームL12に二分割される。このとき、ビームL11とビームL12の光量がほぼ等しくなるように光源4aから出射されるビームL10の偏光の角度が定められる。 A beam L10 emitted from the light source 4a is split into two beams L11 and L12 by the PBS 4b. At this time, the polarization angle of the beam L10 emitted from the light source 4a is determined so that the light amounts of the beam L11 and the beam L12 are substantially equal.

分割された一方のビームL11は偏光状態がP波成分であるためPBS4bを透過し、ミラー4gおよび4eで順次反射されてスケール4hに入射する。スケール4hは、透過型の回折格子(後述の透過型回折格子62)を含む「回折格子スケール」である。この回折格子は、Z軸に平行方向な格子ベクトルを有し、入射する各ビームを回折させる。ビームL11は、スケール4hの回折格子で回折された後、ミラー4fおよび4gで順次反射され、PBS4iに導かれる。 One of the split beams L11 is polarized in the P-wave component, so it passes through the PBS 4b and is successively reflected by the mirrors 4g and 4e to enter the scale 4h. The scale 4h is a "diffraction grating scale" including a transmission diffraction grating (transmission diffraction grating 62 described later). The diffraction grating has grating vectors parallel to the Z-axis and diffracts each incoming beam. The beam L11 is diffracted by the diffraction grating of the scale 4h, then sequentially reflected by the mirrors 4f and 4g, and guided to the PBS 4i.

分割されたもう一方のビームL12は、偏光状態がS波成分であるためPBS4bにて反射され、スケール2に導かれる。ビームL12は第2波長帯域の光であるため、このときスケール2の波長帯域選択層2dを透過せずに反射し、さらにミラー4cで反射してスケール4hにて回折する。そして、ミラー4dで反射されて再びスケール2に導かれて反射される。このビームL12は、PBS4iにて反射されつつビームL11と重ね合わされ、受光部4jに導かれる。受光部4jは、PBS4iによって重ね合わせられた各々のビームを干渉させ、その干渉光を光電変換する。 The other split beam L12 is reflected by the PBS 4b and guided to the scale 2 because its polarization state is the S-wave component. Since the beam L12 is light in the second wavelength band, it is reflected without passing through the wavelength band selection layer 2d of the scale 2, is reflected by the mirror 4c, and is diffracted by the scale 4h. Then, the light is reflected by the mirror 4d, guided to the scale 2 again, and reflected. This beam L12 is superimposed on the beam L11 while being reflected by the PBS 4i, and guided to the light receiving section 4j. The light receiving section 4j causes the beams superimposed by the PBS 4i to interfere with each other, and photoelectrically converts the interference light.

図7は、スケール4hの構造を模式的に表す図である。
スケール4hは、ガラス基板60上に格子ピッチdの透過型回折格子62が配置される。この透過型回折格子62としてボリュームタイプのホログラムを使用し、ブラッグ条件で回折させることで高い回折効率が得られる。
FIG. 7 is a diagram schematically showing the structure of the scale 4h.
The scale 4h has a transmissive diffraction grating 62 with a grating pitch d arranged on a glass substrate 60 . A volume type hologram is used as the transmission diffraction grating 62, and high diffraction efficiency can be obtained by diffracting the light under the Bragg condition.

図6に戻り、第2検出ヘッド4は、PBS4bによって二分割されたビームL11とビームL12の光路長が等しくなるよう調整されている。スケール2がZ軸方向に移動しても、ビームL11とビームL12の光路長は変化しない。これは光源4aとして可干渉性の低い光源を使用する場合に有効である。光源4aとしてさらに安価な半導体レーザを用いる場合、温度変化による光源4aの波長変化の影響についても、ビームL11とビームL12の光路長が等しいことでキャンセルできる。光路内に気圧や湿度、温度変化による空気の屈折率の変化があっても、同様にキャンセルする効果が発揮される。これらは、長時間計測において、安定した計測を実現させる。 Returning to FIG. 6, the second detection head 4 is adjusted so that the beam L11 and the beam L12 split into two by the PBS 4b have the same optical path length. Even if the scale 2 moves in the Z-axis direction, the optical path lengths of the beams L11 and L12 do not change. This is effective when a light source with low coherence is used as the light source 4a. When a more inexpensive semiconductor laser is used as the light source 4a, the influence of wavelength change of the light source 4a due to temperature change can be canceled by equalizing the optical path lengths of the beams L11 and L12. Even if there is a change in the refractive index of the air due to a change in air pressure, humidity, or temperature in the optical path, the same canceling effect is exhibited. These realize stable measurement in long-term measurement.

受光部4jの構成は、第1検出ヘッド3の受光部3gと同様である(図5参照)。なお、以下では説明の便宜上、受光部4jの各受光素子を「受光素子21a~21d」とする。すなわち、第2検出ヘッド4の受光素子21a~21dは、それぞれ第1検出ヘッド3の受光素子11a~11dに対応する。 The structure of the light receiving portion 4j is the same as that of the light receiving portion 3g of the first detection head 3 (see FIG. 5). For convenience of explanation, the light receiving elements of the light receiving section 4j are hereinafter referred to as "light receiving elements 21a to 21d". That is, the light receiving elements 21a to 21d of the second detection head 4 correspond to the light receiving elements 11a to 11d of the first detection head 3, respectively.

PBS4iによって重ね合わされた2つのビームL11,L12の偏光成分は、それぞれS波成分とP波成分で互いに偏光軸が直交するため、そのままでは干渉しない。そこで、ビームL1,L2を位相板50に通すことで、S波成分とP波成分の光の位相状態によって特定の偏光軸の干渉強度が変化するビームとする。このビームをハーフミラー52によって二分割し、それぞれPBS54、PBS56に入射させる。 The polarized light components of the two beams L11 and L12 superimposed by the PBS 4i do not interfere with each other as they are because the polarization axes of the S wave component and the P wave component are orthogonal to each other. Therefore, by passing the beams L1 and L2 through the phase plate 50, the beams are made such that the interference intensity of a specific polarization axis changes depending on the phase state of the light of the S wave component and the P wave component. This beam is split into two by a half mirror 52 and made incident on PBS 54 and PBS 56, respectively.

各受光素子21a~21dで得られる干渉信号は、Acos(2Kx+δ)で表せられる。Aは干渉の振幅であり、Kは2π/dで示される波数である。δは初期位相を示す。dは、スケール4hの透過型回折格子62における格子のピッチである。特定の偏光成分の干渉強度は、スケール2がZ軸方向に移動すると、スケール4hの透過型回折格子62に入射するビームL12の入射位置がZ軸方向に移動する。例えば、スケール2がZ軸方向に透過型回折格子62の1/2格子ピッチ(つまりd/2)だけ移動すると、1周期の明暗の光量変化として信号が得られる。 An interference signal obtained by each of the light receiving elements 21a to 21d is represented by Acos(2Kx+δ). A is the amplitude of the interference and K is the wavenumber denoted by 2π/d. δ indicates the initial phase. d is the grating pitch in the transmissive diffraction grating 62 of the scale 4h. As for the interference intensity of the specific polarization component, when the scale 2 moves in the Z-axis direction, the incident position of the beam L12 incident on the transmissive diffraction grating 62 of the scale 4h moves in the Z-axis direction. For example, when the scale 2 moves in the Z-axis direction by 1/2 the grating pitch (that is, d/2) of the transmissive diffraction grating 62, a signal is obtained as a change in the amount of light in one cycle.

図8は、演算機5の具体例を表す図である。
演算機5は、第1検出ヘッド3により検出される変位情報を出力する変位出力部10と、第2検出ヘッド4により検出される変位情報を出力する変位出力部20を備える。変位出力部10は、差動増幅器12a,12b、A/D変換器13a,13b、波形補正処理回路14およびインクリメンタル信号発生器15を含む。変位出力部20は、差動増幅器22a,22b、A/D変換器23a,23b、波形補正処理回路24およびインクリメンタル信号発生器25を含む。
FIG. 8 is a diagram showing a specific example of the computing machine 5. As shown in FIG.
The calculator 5 includes a displacement output section 10 that outputs displacement information detected by the first detection head 3 and a displacement output section 20 that outputs displacement information detected by the second detection head 4 . The displacement output section 10 includes differential amplifiers 12 a and 12 b, A/D converters 13 a and 13 b, a waveform correction processing circuit 14 and an incremental signal generator 15 . The displacement output unit 20 includes differential amplifiers 22 a and 22 b, A/D converters 23 a and 23 b, a waveform correction processing circuit 24 and an incremental signal generator 25 .

第1検出ヘッド3で光電変換された干渉信号のうち、受光素子11aと受光素子11bの干渉信号は、差動増幅器12aによってDCキャンセルされる。これにより干渉強度の増減による電気信号のDCオフセットがキャンセルされる。同様に受光素子11cと受光素子11dも差動増幅器12bによってDCキャンセルされる。差動増幅器12aと差動増幅器12bの出力に90度の位相差があるため、干渉信号は、SINとCOSの正弦波として検出できるため、位相の進行の向きが判別できる。 Among the interference signals photoelectrically converted by the first detection head 3, the interference signals between the light receiving elements 11a and 11b are DC-cancelled by the differential amplifier 12a. This cancels the DC offset of the electrical signal due to the increase/decrease in the interference intensity. Similarly, the light receiving elements 11c and 11d are also DC-cancelled by the differential amplifier 12b. Since the outputs of the differential amplifier 12a and the differential amplifier 12b have a phase difference of 90 degrees, the interference signal can be detected as sinusoidal waves of SIN and COS, so the direction of phase progression can be determined.

各々の干渉信号は、A/D変換器13aとA/D変換器13bによりデジタル変換され、波形補正処理回路14でSINとCOSのそれぞれの振幅やオフセットのずれとSIN-COS間の位相のずれを補正し、インクリメンタル信号発生器15で内挿されX軸方向の変位情報として出力される。 Each interference signal is digitally converted by the A/D converters 13a and 13b, and the waveform correction processing circuit 14 corrects the difference in amplitude and offset between SIN and COS and the phase difference between SIN and COS. is corrected, interpolated by the incremental signal generator 15, and output as displacement information in the X-axis direction.

同様に、第2検出ヘッド4で光電変換された干渉信号のうち、受光素子21aと受光素子21bの干渉信号は差動増幅器22aによってDCキャンセルされ、受光素子21cと受光素子21dは差動増幅器22bによってDCキャンセルされる。そして、それぞれA/D変換器23aとA/D変換器に23bによってデジタル信号に変換される。差動増幅器22aと差動増幅器22bの出力に90度の位相差があるため、干渉信号について位相の進行の向きが判別できる。 Similarly, among the interference signals photoelectrically converted by the second detection head 4, the interference signal between the light receiving elements 21a and 21b is DC-cancelled by the differential amplifier 22a, and the light receiving elements 21c and 21d are DC-cancelled by the differential amplifier 22b. is DC canceled by Then, they are converted into digital signals by A/D converters 23a and 23b, respectively. Since there is a phase difference of 90 degrees between the outputs of the differential amplifier 22a and the differential amplifier 22b, it is possible to determine the direction in which the phase of the interference signal advances.

各々の干渉信号は、A/D変換器23aとA/D変換器23bによりデジタル変換され、波形補正処理回路24でSINとCOSのそれぞれの振幅やオフセットのずれとSIN-COS間の位相のずれを補正し、インクリメンタル信号発生器25で内挿されZ軸方向の変位情報として出力される。 Each interference signal is digitally converted by the A/D converters 23a and 23b, and the waveform correction processing circuit 24 corrects the difference in amplitude and offset between SIN and COS and the phase difference between SIN and COS. is corrected, interpolated by the incremental signal generator 25, and output as displacement information in the Z-axis direction.

変位出力部10,20の各A/D変換器は、クロック発生器60により同期がとられている。インクリメンタル信号発生器15,25は、1クロックあたりに変化した相対位置情報を出力する。これにより、X軸方向の変位情報とZ軸方向の変位情報が同期したタイミングで出力される。 The A/D converters of the displacement output units 10 and 20 are synchronized by a clock generator 60. FIG. Incremental signal generators 15 and 25 output relative position information that changes per clock. As a result, the displacement information in the X-axis direction and the displacement information in the Z-axis direction are output at synchronized timing.

以上に説明したように、本実施形態では、スケール2の表面に波長帯域選択層2dを設け、スケール2の内部に反射型の回折格子2bを設けることで、スケール2の表面積を大きくすることなく、X軸方向の変位およびZ軸方向の変位を同時に検出できる。検出する変位の方向ごとに対応させてスケールを設ける必要がなく、スケールをコンパクトに構成することが可能となる。言い換えれば、スケールの大きさに対して検出可能範囲を大きくすることができる。すなわち、本実施形態によれば、スケールをコンパクトにして移動体(被測定部材)への設置スペースが有効活用できる。 As described above, in the present embodiment, by providing the wavelength band selection layer 2d on the surface of the scale 2 and providing the reflective diffraction grating 2b inside the scale 2, the surface area of the scale 2 is not increased. , the displacement in the X-axis direction and the displacement in the Z-axis direction can be detected simultaneously. There is no need to provide a scale corresponding to each direction of displacement to be detected, and the scale can be configured compactly. In other words, the detectable range can be increased with respect to the size of the scale. That is, according to this embodiment, the scale can be made compact, and the installation space for the moving body (member to be measured) can be effectively utilized.

[第2実施形態]
図9は、第2実施形態に係る変位検出装置の構成を模式的に表す図である。
変位検出装置201は、第1実施形態の第1検出ヘッド3および第2検出ヘッド4に加え、さらに第3検出ヘッド7を備える。第3検出ヘッド7は、「第3格子干渉型変位検出ヘッド」として機能し、2次元のスケール202のY軸方向の変位情報を出力する。それにより、変位検出装置201は、スケール202の平面の方向と高さ方向の変位情報を出力できる。
[Second embodiment]
FIG. 9 is a diagram schematically showing the configuration of the displacement detection device according to the second embodiment.
The displacement detection device 201 further includes a third detection head 7 in addition to the first detection head 3 and the second detection head 4 of the first embodiment. The third detection head 7 functions as a "third grating interference type displacement detection head" and outputs displacement information of the two-dimensional scale 202 in the Y-axis direction. Thereby, the displacement detection device 201 can output displacement information in the plane direction and the height direction of the scale 202 .

図10は、スケール202の構成を模式的に表す図である。図10の上段は平面図であり、下段は断面図である。
スケール202は、基材202aの上に2次元の回折格子202bが配置される。回折格子202bは、Y軸方向に平行な方向の第2格子ベクトルを有する反射型の回折格子である。回折格子202bの表面は、保護層202cで保護される。保護層202cの上面は平滑であり、波長帯域選択層202dが配置される。波長帯域選択層202dは、第1波長帯域の光を透過させ、第2波長帯域の光を反射させる多層膜である。
FIG. 10 is a diagram schematically showing the configuration of the scale 202. As shown in FIG. The upper part of FIG. 10 is a plan view, and the lower part is a sectional view.
The scale 202 has a two-dimensional diffraction grating 202b arranged on a substrate 202a. The diffraction grating 202b is a reflective diffraction grating having a second grating vector parallel to the Y-axis direction. The surface of the diffraction grating 202b is protected with a protective layer 202c. The upper surface of the protective layer 202c is smooth, and the wavelength band selection layer 202d is arranged thereon. The wavelength band selection layer 202d is a multilayer film that transmits light in the first wavelength band and reflects light in the second wavelength band.

基材202aとして、ガラス基板や金属基板、樹脂シートなどを採用する。回折格子202bは、反射型の回折格子であり、周期的な凹凸を有する。この凹凸は、X軸方向とY軸方向に等間隔に配列されたドットであり、X軸方向とY軸方向の2つの格子ベクトルを持つ。この凹凸のパターンは、クロム膜をエッチングして形成してもよいし、ガラス基板にドライエッチングで直接形成してもよい。また、回折格子202bの上に、反射率の高い、アルミや金、銀などをコーティングしてもよい。凹凸の周期Λは、格子のピッチでありサブミクロンから数ミクロンを想定する。 A glass substrate, a metal substrate, a resin sheet, or the like is adopted as the base material 202a. The diffraction grating 202b is a reflective diffraction grating and has periodic unevenness. The irregularities are dots arranged at equal intervals in the X-axis direction and the Y-axis direction, and have two lattice vectors in the X-axis direction and the Y-axis direction. The uneven pattern may be formed by etching a chromium film, or may be formed directly on a glass substrate by dry etching. Also, the diffraction grating 202b may be coated with aluminum, gold, silver, or the like, which has a high reflectance. The period Λ of the unevenness is the pitch of the grating and is assumed to be submicron to several microns.

保護層202cは、回折格子202bを保護する役割と、上面に波長帯域選択層202dを配置する役割を有する。波長帯域選択層202dとしては、第1波長帯域を効率よく透過させるよう、厚みがサブミクロンから数ミリメートルのものを想定する。波長帯域選択層202dは、材料としてのSiOをCVDやスパッタリングにより保護層202cに成膜して形成してもよい。また樹脂の接着剤等でカバーガラスを接着してもよい。その際、接着剤の屈折率とカバーガラスの屈折率を合わせるのが好ましい。波長帯域選択層202dは、例えば790nmを中心波長とする第1波長帯域の光を透過させ、655nmを中心波長とする第2波長帯域の光を反射させる特性(第1実施形態と同様の特性)を有するものでよい。 The protective layer 202c has a role of protecting the diffraction grating 202b and a role of arranging the wavelength band selection layer 202d on the upper surface. The wavelength band selection layer 202d is assumed to have a thickness of submicrons to several millimeters so as to efficiently transmit the first wavelength band. The wavelength band selection layer 202d may be formed by depositing SiO 2 as a material on the protective layer 202c by CVD or sputtering. Alternatively, the cover glass may be adhered with a resin adhesive or the like. At that time, it is preferable to match the refractive index of the adhesive with the refractive index of the cover glass. The wavelength band selection layer 202d has characteristics of transmitting light in a first wavelength band with a center wavelength of 790 nm, for example, and reflecting light in a second wavelength band with a center wavelength of 655 nm (characteristics similar to those of the first embodiment). may have

第3検出ヘッド7は、第1検出ヘッド3と同様の原理で機能する。第3検出ヘッド7は、第1波長帯域の光を出射する光源(第3光源)と、その光源から出射されたビームを二分割し、その後再び重ね合せるPBS(第3偏光ビームスプリッタ)と、各々のビームを反射させるミラー(第3反射手段)と、PBSによって重ね合わせられた各々のビームを干渉させ、その干渉光を光電変換する受光部(第3受光手段)を含む。 The third detection head 7 functions on the same principle as the first detection head 3 . The third detection head 7 includes a light source (third light source) that emits light in the first wavelength band, a PBS (third polarizing beam splitter) that splits the beam emitted from the light source into two and then overlaps them again, It includes a mirror (third reflecting means) that reflects each beam, and a light receiving section (third light receiving means) that causes interference between the beams superimposed by the PBS and photoelectrically converts the interference light.

ただし、第3検出ヘッド7は、変位を検出する方向がY軸方向であり、スケール202の格子ベクトルに平行になるように配置される。変位検出装置201は、第1検出ヘッド3、第2検出ヘッド4および第3検出ヘッド7を備えることから、X軸方向の変位を示す干渉信号とY軸方向の変位を示す干渉信号とZ軸方向の変位を示す干渉信号の3方向の変位検出の演算が必要となる。 However, the direction in which the third detection head 7 detects displacement is the Y-axis direction, and it is arranged so as to be parallel to the grating vector of the scale 202 . Since the displacement detection device 201 includes the first detection head 3, the second detection head 4, and the third detection head 7, an interference signal indicating displacement in the X-axis direction, an interference signal indicating displacement in the Y-axis direction, and an interference signal indicating displacement in the Z-axis direction. Calculation of displacement detection in three directions of the interference signal indicating displacement in direction is required.

図11は、演算機5の具体例を表す図である。
演算機5は、第1検出ヘッド3により検出される変位情報を出力する変位出力部10と、第2検出ヘッド4により検出される変位情報を出力する変位出力部20と、第3検出ヘッド7により検出される変位情報を出力する変位出力部30を備える。変位出力部10および変位出力部20は、第1実施形態と同様である。変位出力部30は、差動増幅器32a,32b、A/D変換器33a,33b、波形補正処理回路34およびインクリメンタル信号発生器35を含む。これによりX軸方向、Y軸方向およびZ軸方向の変位情報を出力することができる。
FIG. 11 is a diagram showing a specific example of the computing machine 5. As shown in FIG.
The computer 5 includes a displacement output section 10 that outputs displacement information detected by the first detection head 3 , a displacement output section 20 that outputs displacement information detected by the second detection head 4 , and a third detection head 7 . A displacement output unit 30 for outputting displacement information detected by is provided. The displacement output section 10 and the displacement output section 20 are the same as in the first embodiment. The displacement output unit 30 includes differential amplifiers 32 a and 32 b, A/D converters 33 a and 33 b, a waveform correction processing circuit 34 and an incremental signal generator 35 . Thereby, displacement information in the X-axis direction, the Y-axis direction and the Z-axis direction can be output.

本実施形態によれば、回折格子202bを2次元構造とすることで、第1実施形態で示したX軸方向およびZ軸方向だけでなく、さらにY軸方向(第3方向)の変位(第3変位)を同時に検出できる。すなわち、スケールをコンパクトに構成することが可能となり、スケールの大きさに対して検出可能範囲を大きくできる。 According to the present embodiment, by making the diffraction grating 202b have a two-dimensional structure, not only the X-axis direction and the Z-axis direction shown in the first embodiment, but also the Y-axis direction (third 3 displacements) can be detected simultaneously. That is, the scale can be configured compactly, and the detectable range can be increased with respect to the size of the scale.

[第3実施形態]
図12は、第3実施形態に係る変位検出装置の構成を模式的に表す図である。
変位検出装置301は、スケール202と、1つの第1検出ヘッド3(第1検出ヘッドX1)と、3つの第2検出ヘッド4(第2検出ヘッドZ1~Z3)と、2つの第3検出ヘッド7(第3検出ヘッドY1,Y2)を備える。変位検出装置301は、6自由度変位検出装置である。演算機5は、これらの検出ヘッドで検出した信号に基づいて、スケール202のX軸方向の変位、Y軸方向の変位、Z軸方向の変位、X軸方向回りの角度、Y軸方向回りの角度およびZ軸方向回りの角度を算出して出力する。なお、各検出ヘッドの原理については上述と同様であるため、説明を省略する。
[Third Embodiment]
FIG. 12 is a diagram schematically showing the configuration of a displacement detection device according to the third embodiment.
The displacement detection device 301 includes a scale 202, one first detection head 3 (first detection head X1), three second detection heads 4 (second detection heads Z1 to Z3), and two third detection heads. 7 (third detection heads Y1, Y2). The displacement detection device 301 is a 6-degree-of-freedom displacement detection device. Based on the signals detected by these detection heads, the calculator 5 calculates the displacement of the scale 202 in the X-axis direction, the Y-axis direction, the Z-axis direction, the angle around the X-axis direction, and the Y-axis direction. Calculate and output the angle and the angle around the Z-axis direction. Since the principle of each detection head is the same as described above, the explanation is omitted.

図13は、演算機5の具体例を表す図である。
演算機5は、第1検出ヘッド3により検出される変位情報を出力する変位出力部X1、第3検出ヘッドY1、Y2により検出される変位情報を出力する変位出力部Y1,Y2、および第2検出ヘッドZ1~Z3により検出される変位情報を出力する変位出力部Z1~Z3を有する。各変位出力部は、差動増幅器、A/D変換器、波形補正処理回路およびインクリメンタル信号発生器を含むが、第1実施形態と同様であるため、その説明については省略する。
FIG. 13 is a diagram showing a specific example of the computing machine 5. As shown in FIG.
The computer 5 includes a displacement output section X1 that outputs displacement information detected by the first detection head 3, displacement output sections Y1 and Y2 that output displacement information detected by the third detection heads Y1 and Y2, and a second detection head. It has displacement output units Z1 to Z3 for outputting displacement information detected by the detection heads Z1 to Z3. Each displacement output section includes a differential amplifier, an A/D converter, a waveform correction processing circuit, and an incremental signal generator, which are the same as those of the first embodiment, so description thereof will be omitted.

ここで、図12に示したように各検出ヘッドを配置し、第1検出ヘッドX1により検出される変位値をX1、第2検出ヘッドZ1~Z3により検出される変位値をZ1~Z3、第3検出ヘッドY1,Y2により検出される変位値をY1,Y2とする。その場合、X軸方向の変位、Y軸方向の変位、Z軸方向の変位、X軸方向回りの角度、Y軸方向回りの角度、およびZ軸方向回りの角度は、以下のように算出される。
X軸方向の変位=X1
Y軸方向の変位=(Y1+Y2)/2
Z軸方向の変位=(Z1+Z2+Z3)/3
Z軸方向回りの角度=tan-1((Y1-Y2)/LY)
Y軸方向回りの角度=tan-1((Z1-Z3)/LZx)
X軸方向回りの角度=tan-1((Z2-((Z1+Z3)/2))/ZLy)
12, the displacement value detected by the first detection head X1 is X1, the displacement values detected by the second detection heads Z1 to Z3 are Z1 to Z3, and the Let Y1 and Y2 be the displacement values detected by the three detection heads Y1 and Y2. In that case, the displacement in the X-axis direction, the displacement in the Y-axis direction, the displacement in the Z-axis direction, the angle around the X-axis direction, the angle around the Y-axis direction, and the angle around the Z-axis direction are calculated as follows. be.
X-axis displacement = X1
Y-axis displacement=(Y1+Y2)/2
Z-axis displacement=(Z1+Z2+Z3)/3
Angle around Z-axis = tan -1 ((Y1-Y2)/LY)
Angle around Y-axis = tan -1 ((Z1-Z3)/LZx)
Angle around X-axis = tan -1 ((Z2-((Z1+Z3)/2))/ZLy)

本実施形態によれば、検出ヘッドの数および配置を工夫することで、スケール2が大きくなることを抑制しつつ、6自由度の変位を検出することができる。 According to this embodiment, by devising the number and arrangement of the detection heads, it is possible to detect displacement with six degrees of freedom while suppressing an increase in the size of the scale 2 .

1 変位検出装置、2 スケール、2a 基材、2b 回折格子、2c 保護層、2d 波長帯域選択層、3 第1検出ヘッド、3a 光源、3b PBS、3c ミラー、3d ミラー、3e ミラー付位相板、3f ミラー付位相板、4 第2検出ヘッド、4a 光源、4b PBS、4f ミラー、4h スケール、4i PBS、4j 受光部、5 演算機、7 第3検出ヘッド、10 変位出力部、20 変位出力部、30 変位出力部、50 位相板、52 ハーフミラー、54 PBS、56 PBS、60 ガラス基板、60 クロック発生器、62 透過型回折格子、201 変位検出装置、202 スケール、202a 基材、202b 回折格子、202c 保護層、202d 波長帯域選択層、301 変位検出装置。 1 displacement detector, 2 scale, 2a substrate, 2b diffraction grating, 2c protective layer, 2d wavelength band selection layer, 3 first detection head, 3a light source, 3b PBS, 3c mirror, 3d mirror, 3e phase plate with mirror, 3f phase plate with mirror, 4 second detection head, 4a light source, 4b PBS, 4f mirror, 4h scale, 4i PBS, 4j light receiving unit, 5 calculator, 7 third detection head, 10 displacement output unit, 20 displacement output unit , 30 displacement output section, 50 phase plate, 52 half mirror, 54 PBS, 56 PBS, 60 glass substrate, 60 clock generator, 62 transmissive diffraction grating, 201 displacement detector, 202 scale, 202a substrate, 202b diffraction grating , 202c protective layer, 202d wavelength band selective layer, 301 displacement detector.

Claims (4)

被測定部材の第1方向の第1変位を検出する第1検出ヘッドと、前記被測定部材の前記第1方向と異なる第2方向である高さ方向の第2変位を検出する第2検出ヘッドと、で検出された検出信号に基づいて前記被測定部材の変位を検出するための変位検出部材であって、
回折格子と、
前記回折格子を保護する保護層と、
第1波長帯域の光が前記保護層を通り前記回折格子に向かうように透過させ、第2波長帯域の光を反射させる波長帯域選択層と、を備え、
前記波長帯域選択層は、前記第1検出ヘッドにより検出される前記第1波長帯域の光が通過する通過領域を有し、前記通過領域上で反射した前記第2波長帯域の光を前記第2検出ヘッドが検出し、検出された検出信号に基づいて前記第2検出ヘッドが前記第2変位を検出できるように形成されている、変位検出部材。
A first detection head that detects a first displacement of the member to be measured in a first direction, and a second detection head that detects a second displacement of the member to be measured in a height direction that is a second direction different from the first direction. and a displacement detection member for detecting the displacement of the member to be measured based on the detection signal detected in
a diffraction grating;
a protective layer that protects the diffraction grating;
a wavelength band selection layer that transmits light in a first wavelength band through the protective layer toward the diffraction grating and reflects light in a second wavelength band;
The wavelength band selection layer has a passage area through which the light in the first wavelength band detected by the first detection head passes, and converts the light in the second wavelength band reflected on the passage area into the second wavelength band. A displacement detection member formed so that the second detection head can detect the second displacement based on a detection signal detected by the detection head.
X軸方向もしくはY軸方向もしくはZ軸方向に移動可能なステージに設置可能な、X軸方向に平行な方向の第1格子ベクトルを有する反射型の回折格子と、その反射型の回折格子の表面に、一定の厚みを有した保護層と、第1波長帯域の光が前記保護層を通り前記回折格子に向かうように透過させ、第2波長帯域の光を反射させる波長帯域選択層で構成された回折格子スケールと、
X軸方向もしくはY軸方向に移動可能な被測定部材に設けられた前記回折格子スケールのX軸方向の変位を検出する第1格子干渉型変位検出ヘッドと、
前記回折格子スケールの前記XY平面に対して直交したZ軸方向の変位を検出する第2格子干渉型変位検出ヘッドと、
前記第1格子干渉型変位検出ヘッドで検出した信号と、前記第2格子干渉型変位検出ヘッドで検出した信号に基づいてX軸方向もしくはY軸方向もしくはZ軸方向に移動可能な被測定部材に設けられた前記回折格子スケールのX軸方向とZ軸方向の変位を算出し出力する演算機と、
を備え、
前記第1格子干渉型変位検出ヘッドは、第1波長帯域の光源と、第1波長帯域の光源のビームを二分割し、その後再び重ね合す第1偏光ビームスプリッタと、前記各々のビームを反射させる第1反射手段と、前記第1偏光ビームスプリッタによって重ね合わせられた各々のビームを干渉させ、その干渉光を光電変換する第1受光手段と、を含み、
前記第2格子干渉型変位検出ヘッドは、第2波長帯域の光源と、第2波長帯域の光源のビームを二分割する第2偏光ビームスプリッタと、前記各々のビームを反射させる第2反射手段と、前記各々のビームを回折させるZ軸に平行方向に格子ベクトルを持つ透過型の回折格子と、各々のビームを重ね合わせるビーム結合手段と、前記第2偏光ビームスプリッタによって重ね合わせられた前記各々のビームを干渉させ、その干渉光を光電変換する第2受光手段と、を含み、
被測定部材に設けられた回折格子スケールのX軸方向の変位情報とZ軸方向の変位情報を出力する、変位検出装置。
A reflective diffraction grating having a first grating vector in a direction parallel to the X-axis direction, which can be placed on a stage movable in the X-axis direction, the Y-axis direction, or the Z-axis direction, and the surface of the reflective diffraction grating a protective layer having a certain thickness; and a wavelength band selection layer that transmits light in a first wavelength band through the protective layer toward the diffraction grating and reflects light in a second wavelength band. a grating scale;
a first grating interference displacement detection head for detecting displacement in the X-axis direction of the diffraction grating scale provided on a member to be measured that can move in the X-axis direction or the Y-axis direction;
a second grating interference displacement detection head for detecting displacement of the diffraction grating scale in a Z-axis direction perpendicular to the XY plane;
Based on the signal detected by the first grating interference type displacement detection head and the signal detected by the second grating interference type displacement detection head, a member to be measured that can move in the X-axis direction, the Y-axis direction, or the Z-axis direction a computer that calculates and outputs the displacement of the provided diffraction grating scale in the X-axis direction and the Z-axis direction;
with
The first grating interference type displacement detection head comprises: a light source of a first wavelength band; and a first light receiving means for causing interference between the beams superimposed by the first polarization beam splitter and photoelectrically converting the interference light,
The second grating interference displacement detection head includes a light source of a second wavelength band, a second polarization beam splitter that splits the beam of the light source of the second wavelength band into two, and a second reflecting means that reflects each of the beams. , a transmissive diffraction grating having a grating vector parallel to the Z-axis for diffracting each of the beams; beam combining means for superimposing the beams; a second light receiving means for interfering the beams and photoelectrically converting the interference light,
A displacement detector that outputs displacement information in the X-axis direction and displacement information in the Z-axis direction of a diffraction grating scale provided on a member to be measured.
前記回折格子スケールは、X軸方向に平行な方向の第1格子ベクトルと、Y軸方向に平行な方向の第2格子ベクトルを有する反射型の2次元回折格子と、その反射型の2次元回折格子の表面に、一定の厚みを有した保護層と、第1波長帯域の光が前記保護層を通り前記回折格子に向かうように透過させ、第2波長帯域の光を反射させる波長帯域選択層と、を含む2次元の回折格子スケールであり、
当該変位検出装置は、
前記X軸方向の変位を検出する前記第1格子干渉型変位検出ヘッドと、
前記回折格子スケールの前記XY平面に対して直交したZ軸方向の変位を検出する前記第2格子干渉型変位検出ヘッドと、
前記Y軸方向の変位を検出する第3格子干渉型変位検出ヘッドと、
前記第1格子干渉型変位検出ヘッドで検出した信号と、前記第2格子干渉型変位検出ヘッドで検出した信号と、前記第3格子干渉型変位検出ヘッドで検出した信号に基づいてX軸方向もしくはY軸方向もしくはZ軸方向に移動可能なステージに設置可能な前記回折格子スケールのX軸方向の変位とY軸方向の変位と、Z軸方向の変位を算出し出力する演算機と、
を備え、
前記第3格子干渉型変位検出ヘッドは、第1波長帯域の光源と、第1波長帯域の光源のビームを二分割し、その後再び重ね合す第3偏光ビームスプリッタと前記各々のビームを反射させる第3反射手段と、前記第3偏光ビームスプリッタによって重ね合わせられた各々のビームを干渉させ、その干渉光を光電変換する第3受光手段と、を含み、
被測定部材に設けられた回折格子スケールのX軸方向の変位情報とY軸方向の変位情報とZ軸方向の変位情報を出力する、請求項2に記載の変位検出装置。
The diffraction grating scale includes a reflective two-dimensional diffraction grating having a first grating vector parallel to the X-axis direction and a second grating vector parallel to the Y-axis direction; A protective layer having a certain thickness on the surface of the grating, and a wavelength band selection layer that transmits light in a first wavelength band through the protective layer toward the diffraction grating and reflects light in a second wavelength band. and is a two-dimensional grating scale containing
The displacement detection device is
the first grating interference displacement detection head for detecting displacement in the X-axis direction;
the second grating interference displacement detection head for detecting displacement of the diffraction grating scale in a Z-axis direction perpendicular to the XY plane;
a third grating interference displacement detection head for detecting displacement in the Y-axis direction;
Based on the signal detected by the first grating interference displacement detection head, the signal detected by the second grating interference displacement detection head, and the signal detected by the third grating interference displacement detection head, a computer that calculates and outputs the displacement in the X-axis direction, the displacement in the Y-axis direction, and the displacement in the Z-axis direction of the diffraction grating scale that can be installed on a stage that can move in the Y-axis direction or the Z-axis direction;
with
The third grating interference type displacement detection head splits the beams of the light source of the first wavelength band and the light source of the first wavelength band into two, and then reflects the respective beams with the third polarizing beam splitter that superimposes them again. a third reflecting means, and a third light receiving means for causing interference between the beams superimposed by the third polarization beam splitter and photoelectrically converting the interference light,
3. The displacement detection device according to claim 2, which outputs displacement information in the X-axis direction, the displacement information in the Y-axis direction, and the displacement information in the Z-axis direction of a diffraction grating scale provided on the member to be measured.
X軸方向もしくはY軸方向もしくはZ軸方向に移動可能な被測定部材に設置可能な、前記2次元の回折格子スケールと、
前記2次元の回折格子スケールのX軸方向の変位を検出する1つの前記第1格子干渉型変位検出ヘッドと、
軸方向の変位を検出する3つの前記第2格子干渉型変位検出ヘッドと、
軸方向の変位を検出する2つの前記第3格子干渉型変位検出ヘッドと、
前記1つの第1格子干渉型変位検出ヘッドと、前記3つのZ軸方向の変位を検出する第2格子干渉型変位検出ヘッドと、前記2つのY軸方向の変位を検出する第3格子干渉型変位検出ヘッドのそれぞれで検出した信号に基づいて、X軸方向もしくはY軸方向もしくはZ軸方向に移動可能なステージに設置可能な前記2次元回折格子スケールのX軸方向の変位とY軸方向の変位と、Z軸方向の変位と、X軸方向回りの角度と、Y軸方向回りの角度と、Z軸方向回りの角度を算出し出力する前記演算機と、
を備える、請求項3に記載の変位検出装置。
the two-dimensional diffraction grating scale that can be installed on a member to be measured that can move in the X-axis direction, the Y-axis direction, or the Z-axis direction;
one first grating interference displacement detection head for detecting displacement of the two-dimensional diffraction grating scale in the X-axis direction;
three second grating interference displacement detection heads for detecting displacement in the Z- axis direction;
two third grating interference displacement detection heads for detecting displacement in the Y- axis direction;
The one first grating interference type displacement detection head, the three second grating interference type displacement detection heads for detecting displacements in the Z-axis direction, and the third grating interference type displacement detection heads for detecting the two displacements in the Y-axis direction. Displacement in the X-axis direction and the Y-axis direction of the two-dimensional diffraction grating scale that can be mounted on a stage movable in the X-axis direction, the Y-axis direction, or the Z-axis direction based on the signals detected by each of the displacement detection heads. the computer that calculates and outputs the displacement of, the displacement in the Z-axis direction, the angle around the X-axis direction, the angle around the Y-axis direction, and the angle around the Z-axis direction;
4. The displacement detection device according to claim 3 , comprising:
JP2022138327A 2022-08-31 2022-08-31 Displacement detection member and displacement detection device Active JP7224747B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2022138327A JP7224747B1 (en) 2022-08-31 2022-08-31 Displacement detection member and displacement detection device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2022138327A JP7224747B1 (en) 2022-08-31 2022-08-31 Displacement detection member and displacement detection device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP7224747B1 true JP7224747B1 (en) 2023-02-20
JP2024034222A JP2024034222A (en) 2024-03-13

Family

ID=85238738

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2022138327A Active JP7224747B1 (en) 2022-08-31 2022-08-31 Displacement detection member and displacement detection device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7224747B1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013152205A (en) 2011-10-26 2013-08-08 Mori Seiki Co Ltd Displacement detector
JP2017083510A (en) 2015-10-23 2017-05-18 株式会社ニコン Encoder device and use method thereof, optical device, exposure device and device manufacturing method
JP2019120500A (en) 2017-12-28 2019-07-22 株式会社ミツトヨ Scale and method for manufacturing the same

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013152205A (en) 2011-10-26 2013-08-08 Mori Seiki Co Ltd Displacement detector
JP2017083510A (en) 2015-10-23 2017-05-18 株式会社ニコン Encoder device and use method thereof, optical device, exposure device and device manufacturing method
JP2019120500A (en) 2017-12-28 2019-07-22 株式会社ミツトヨ Scale and method for manufacturing the same

Also Published As

Publication number Publication date
JP2024034222A (en) 2024-03-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8687202B2 (en) Displacement detecting device
JP7383048B2 (en) Displacement measuring device, displacement measuring method and photolithography device
JP6732543B2 (en) Displacement detection device
JP2603305B2 (en) Displacement measuring device
US7336367B2 (en) Light-receiving/emitting composite unit, method for manufacturing the same, and displacement detection device
JP4852318B2 (en) Displacement detector, polarizing beam splitter, and diffraction grating
JP2016529480A (en) Optical displacement sensor element
JP5095475B2 (en) Optical displacement measuring device
US8446594B2 (en) Position detection device
JP2020197452A (en) Optical angle sensor
JP3495783B2 (en) Encoder
JP4969057B2 (en) Displacement detection device, displacement measurement device, and fixed point detection device
JPH0755424A (en) Photoelectric position measuring device
US10527405B2 (en) Optical position-measuring device
JP7224747B1 (en) Displacement detection member and displacement detection device
US7933023B2 (en) Displacement detection apparatus, displacement measurement apparatus and fixed point detection apparatus
JPH0781817B2 (en) Position measuring device
JP4506271B2 (en) Photoelectric encoder
JP7141313B2 (en) Displacement detector
JP2557967B2 (en) Grating interference displacement meter
JP2020051782A (en) Optical angle sensor
JP4153234B2 (en) Light receiving / emitting composite unit, manufacturing method thereof, and displacement detection device
JP2021143933A (en) Optical displacement sensor
JP4153235B2 (en) Light emitting / receiving composite unit and displacement detection device
JPH01185415A (en) Lattice interference type displacement detector

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20221114

A871 Explanation of circumstances concerning accelerated examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A871

Effective date: 20221114

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20221213

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20230124

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20230207

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20230207

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7224747

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150