JPH06201327A - 変位検出装置 - Google Patents

変位検出装置

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JPH06201327A
JPH06201327A JP4347414A JP34741492A JPH06201327A JP H06201327 A JPH06201327 A JP H06201327A JP 4347414 A JP4347414 A JP 4347414A JP 34741492 A JP34741492 A JP 34741492A JP H06201327 A JPH06201327 A JP H06201327A
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diffraction grating
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泰 金田
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Satoru Ishii
哲 石井
Hiroshi Kondo
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    • G01D5/00Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
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    • G01D5/34Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
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    • G01D5/38Forming the light into pulses by diffraction gratings

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 2相以上の変位検出信号を安定して得る。 【構成】 光源1と、光源からの光を回折・分割して0
次回折光と+1次回折光を第2回折格子G2に照射する
第1回折格子G1と、0次回折光が第2回折格子により
反射回折され生じる+1次反射回折光と+1次回折光が
第2回折格子により回折されて生じる−1次反射回折光
とを合成して干渉光を形成する第3回説格子G3と、干
渉光を光電変換する受光素子3とを有し、第3回折格子
がπ/4づつ位相差をつけた4個の回折格子を含み、前
記受光素子が第3回折格子の4個の回折格子の各に対応
する受光部3a1、3a2、3b1、3b2を備え、受
光部間に十字状の遮光手段が設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、光学的に物体の変位
(移動量、回転量、速度、加速度)を検出する装置、具
体的にはエンコーダ、速度センサ、加速度センサ等に関
するものである。
【0002】
【従来の技術】光を物体に照射して高精度に物体の変位
を求める光学式変位センサ、例えば光学式エンコーダ、
レーザードップラ速度計、レーザー干渉計などが、NC
工作機械、OA機器、ロボット、精密製造装置等の分野
で広く利用されている。
【0003】こうした変位のセンサの一つに、被検物体
の変位情報を有する干渉光(回折光)を用いる高分解能
センサがある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】現在、上記干渉光を用
いる変位センサにおいて、位相が異なる2相以上の変位
検出信号を安定して得られるものが要求されている。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明の変位検出装置
は、放射ビームを分割して得た2個のビームを回折格子
に照射する手段と一方のビームの照射により回折格子か
ら生じる第1回折ビームと他方のビームの照射により回
折格子から生じる第2回折ビームを合成する手段と、第
1、第2回折ビームの合成により形成された干渉ビーム
を受けて回折格子の変位を示す信号に変換する受光手段
とを有する装置において、前記合成手段が互いに位相が
異なる第1、第2回折格子を備え、前記受光手段が第1
回折格子により形成された干渉光と第2回折格子により
形成された干渉光とを個別に受ける第1、第2受光部を
備えることにより、上記要求に応える。
【0006】とくに本発明の受光手段の、上記第1、第
2の2つの回折光のみを受けるよう構成し、実質的に一
種類の干渉光を複数個に分けて信号に変換することによ
り、精確な位相信号を得る。
【0007】
【実施例】図1は本発明の第1実施例を示す概略図であ
り、図2(A)、(B)は夫々図1の装置の側面図、正
面図である。
【0008】1は半導体レーザー、LED等の発光素
子、2は折り曲げミラー、3a、3bは夫々干渉光を光
電変換することにより変位検出信号を出力する受光素
子、G1は光束を分割する為の第1の回折格子、G2は
スケールの目盛りである第2回折格子、G3は回折格子
G2からの2光束を合成する為の第3回折格子で、第
1、第2回折格子の格子面と平行な格子面をもち、6は
発光素子1からの発散光を平行光にするコリメーターレ
ンズで、回折格子G1と一体的に形成されている。Pは
第3回折格子のG3の格子ピッチである。発光素子1か
ら射出した発散光束は、ミラー2で進路を曲げられて、
レンズ6によって平行光束Rにされ、第1回折格子G1
に入射し、第1回折格子G1にて透過回折されて、そし
て、0次回折光R0、+1次回折光R+1、+1次回折
光R+1、の3光束に分割されて射出する。
【0009】回折格子G1を直進した光束R0は、被検
物体に取付けたスケール上に形成された第2回折格子G
2上の点O2にて反射回折されて、+1次回折光R0+
1、−1次回折光R0−1を含む複数の回折光に分割さ
れて位相変調を受ける。ここで−1次回折光R0−1は
所定の位置にある光吸収層で吸収されてしまう。さて+
1次回折光R0+1の位相は+2πx/Pだけずれる。
但しここでxは回折格子G2の移動量、Pは回折格子G
2のピッチである。
【0010】+1次回折光R0+1は第3回折格子G3
に入射し、第3回折格子G3にて透過回折されて、0次
回折光R0+10、−1次回折光R0+1−1とその他
の光束に分割され、このうち−1次回折光R0+1−1
は第3回折格子G3の回折格子面に垂直に取り出され
る。また、この−1次回折光R0+1−1の波面の位相
は、+2πx/Pである。
【0011】回折格子G1にて+1次回折した光束R+
1は、スケール上の回折格子G2上の点O3にて反射回
折されて−1次回折光R+1−1、+1次回折光R+1
+1を含む複数の回折光に分割されて位相変調を受け
る。この時、−1次回折光R+1−1は、−2πx/P
だけ位相がずれて、第3回折格子G3に入射し、第3回
折格子G3で透過回折されそのまま直進する0次回折光
R+1−10とその他の光束に分割される。その時第3
回折格子G3を直進した0次回折光R+1−10の波面
の位相は、−2πX/Pである。
【0012】第3回折格子G3にて互いに光路を重ね合
わされ合成された光束R+1−10と光束R0+−1
は、干渉光となって受光素子3a、3bに入射する。こ
の時の各干渉光の位相は、 {+2πx/P}−{−2πx/P}=4πx/P となり、スケール上の第2回折格子G2が1/2ピッチ
移動するごとに1周期の明暗変化が生じる。本実施例で
は第3回折格子G3の格子の配列を受光素子3a、3b
の夫々に対応する部分間で1/4ピッチずらしており、
従って受光素子3a、3bで得られる各信号は、互いに
90度位相(π/4)がずれた、2相信号となる。
【0013】本実施例は、干渉光学系が非常にシンプル
な構成であり、レンズ、回折格子をレプリカ製法等でガ
ラスの両面に作成し、小型で安価なエンコーダを実現で
きる。
【0014】干渉光が一対の光束の干渉で得られた一本
の光の為、受光素子3a、3bからの出力信号夫々の振
幅が安定しており且つ互いの位相差も安定している。
【0015】図3は本発明の第2実施例を示す概略図で
あり、図4は図3の4相に分割された第3回折格子を示
す説明図である。
【0016】1は半導体レーザー、LED等の発光素
子、2は折り曲げミラー、3a1、3a2、3b1、3
b2は夫々干渉光を光電変換して変位検出信号を出力す
る受光素子、G1は光束を分割する為の第1の回折格
子、G2はスケールの目盛りである第2回折格子、G3
は光束を合成するための4相に分割された第3回折格子
で、第1、第2回折格子の格子面と平行な格子面をも
ち、6は発光素子1からの発散光を平行光に変換するコ
リメータレンズ、Pは第3回折格子G3の格子ピッチで
ある。発光素子1から射出した発散光束は、ミラー2で
進路を曲げられて、レンズ6によって平行光束Rにされ
て第1回折格子G1に入射し、第1回折格子G1にて透
過回折されて、主として0次回折光R0、+1次回折光
R+1、+1次回折光R+1、の3光束に分割されて射
出する。
【0017】第1回折格子G1を直進した光束R0は、
スケール上に形成された回折格子G2上の点O2にて反
射回折され、+1次回折光R0+1、−1次回折光R0
−1を含む複数の回折光に分割され、位相変調も受け
る。尚、−1次回折光R0−1は所定の光吸収層に入射
し、吸収される。
【0018】また、+1次回折光R0+1の位相は+2
πx/Pだけずれる。但しここでxは回折格子G2の移
動量、Pは回折格子G2のピッチである。
【0019】+1次回折光R0+1は第3回折格子G3
に入射し、第3回折格子G3にて透過回折されて、0次
回折光R0+10、−1次回折光R0+1−1とその他
の光束に分割され、このうち−1次回折光R0+1−1
は第3回折格子G3の回折格子面と垂直に取り出され、
波面の移動は、+2πx/Pである。
【0020】第1回折格子G1にて+1次回折した光束
R+1は、スケール上の回折格子G2上の点O3にて反
射回折されて−1次回折光R+1−1、+1次回折光R
+1+1を含む複数の回折光に分割され、位相変調も受
ける。このうち−1次回折光R+1−1は位相が−2π
x/Pだけずれて、第3回折格子G3に入射し、第3回
折格子G3で透過回折され、そのまま直進した0次回折
光R+1−10とその他の光束に分割される。そのとき
第3回折格子G3を直進した0次回折光R+1−10の
波面の位相は、−2πX/Pである。
【0021】第3回折格子G3にて互いに光路を重ね合
わされ合成された回折光R+1−10と回折光R0+1
−1は、干渉光となって、受光素子3a、3b、3c、
3dに入射する。このときの干渉光の位相は、 {+2πx/P}−{−2πx/P}=4πx/P となり、スケール上の第2回折格子G2が1/2ピッチ
移動するごとに1周期の明暗変化が生じる。本実施例で
は、第3回折格子G3の格子配列を図4の様に4分割し
且つ互いに位相をずらして行うことにより受光素子3a
1、3b1、3a2,3b2から互いの位相が90°づ
つずれた安定した4相信号A、B、A、Bを得ている。
図4中のnは0以上の正の整数である。
【0022】本実施例も、干渉光学系が非常にシンプル
な構成であり、レンズ、回折格子をレプリカ製法等でガ
ラスの両面に作成すれば、小型で安価なエンコーダが実
現できる。
【0023】干渉光が一対の光束の干渉により得られた
1本の光のみの為、干渉状態がその断面内でほぼ一様で
あると見なせ、この一様な干渉領域を第3回折格子G3
を図4の様な構造をとることにより4分割する。4つの
干渉領域において干渉状態が互いに一様な為に、第3回
折格子G3で付与した各干渉領域の位相差は一定に保た
れる。図4より、受光素子3a1と3a2から受光素子
3b1と3b2からは、位相が180度ずれた2信号が
得られ、図3に示す様に各々をA、B相とすると互いに
90度位相のずれた安定した2相信号出力A、Bを得る
ことができる。第3回折格子G3の4つの部分G3b
1、G3b2、G3a1、G3a2で4分割され位相差
の付いた4つの干渉光は、ほぼ同一の光路を通る。これ
により部品の精度等による各相の出力への位相差の影響
は、4相間で同一になる。これから部品の精度等による
出力への位相差の影響は、非常に少なくなる。
【0024】本実施例では、4つの部分G3b1、G3
b2、G3a1、G3a2が四角形状に分布せしめられ
ているが、4角形状以外の適当な形状に分布させてもい
い。
【0025】図5は本発明の第3実施例を示す概略図で
あり、図6は図5の装置の受光素子の構成・配置を示す
説明図である。
【0026】1は半導体レーザー、LED等の発光素
子、2は折り曲げミラー、3a1〜3b2は、夫々干渉
光を光電変換して変位検出信号を出力する受光素子、G
1は光束を分割する為の第1回折格子、G2はスケール
の目盛りである第2回折格子、G3a、G3bは光束を
合成する為の2相に分割された第3回折格子、6は発光
素子1からの発散光を平行光に変換するコリメータレン
ズ、7は受光素子3a1、3a2間と受光素子3b1、
3b2間との形成している遮光マスクである。発光素子
1から射出した発散光束は、ミラー2で進路を曲げられ
て、レンズ4によって平行光束Rにされ、第1回折格子
G1に入射し、第1回折格子G1にて透過回折されて、
主として0次回折光R0、+1次回折光R+1、−1次
回折光R−1の3光束に分割されて射出する。
【0027】第1回折格子G1を直進した光束R0は、
スケール上に形成された第2回折格子G2上の点P1に
て反射回折されて、+1次回折光R0+1、−1次回折
光R0−1に分割され、位相変調を受ける。
【0028】+1次回折光R0+1の位相は+2πx/
Pだけずれて、−1次回折光R0−1の位相は−2πx
/Pだけずれる。但しここでxは第2回折格子G2の移
動量、Pは第2回折格子G2のピッチである。
【0029】+1次回折光R0+1は、第3回折格子G
3bにて透過回折されて、0次回折光R0+10、−1
次回折光R01−1およびその他の光束の分割され、こ
のうち−1次回折光R0+1−1は格子G3bの回折格
子面と垂直に取り出され、このときの波面の位相は、+
2πx/Pである。
【0030】−1次回折光R0−1は、第3回折格子G
3aにて透過回折されて、0次回折光R0−10、+1
次回折光R0−1+1およびその他の光束の分割され、
このうち+1次回折光R0−1+1は格子G3aの回折
格子面と垂直に取り出され、このときの波面の位相は、
−2πx/Pである。
【0031】ここで第3回折格子G3bをもう1つの第
3回折格子G3aに対して、格子の位相関係をP/4だ
けずらしておけば、+1次回折光R0−1+1は、波面
の位相が−2π(P/4)/P=−π/2だけずれて、
−2πx/P−π/2になる。
【0032】第1回折格子G1にて+1次回折した光束
R+1はスケールの上の回折格子G2上の点P2にて反
射回折されて−1次回折光R+1−1、0次回折光R+
10およびその他の光束に分割され、位相変調を受け
る。このうち−1次回折光R+1−1は、位相が−2π
x/Pだけずれて、第3回折格子G3bに入射して透過
回折され、そのまま直進した0次回折光R+1−10の
波面の位相は、−2πX/Pとなる。
【0033】第1回説格子G1にて−1次回折した光束
R−1は、スケール上の回折格子G2上の点P3にて反
射回折されて、+1次回折光R−1+1、0次回折光R
−10およびその他の光束に分割され、位相変調を受け
る。このうち+1次回折光R−1+1は、位相が+2π
x/Pだけずれて、第3回折格子G3aに入射し、その
まま直進した0次回折光R−1+10の波面の位相は、
+2πX/Pである。
【0034】第3回折格子G3bにて互いに光路を重ね
合わされ合成された回折光束R+1−10と回折光束R
0+1−1は、干渉光となって受光素子3b1、3b2
に入射する。このときの干渉光の位相は、 {+2πx/P}−{2πx/P}=−4πx/P となり、スケール上の第2回折格子G2が1/2ピッチ
移動するごとに1周期の明暗変化が生じる。
【0035】第3回折格子G3aにて互いに光路を重ね
合わされ合成された回折光束R−1+10と回折光束R
0−1+1は、干渉光となって受光素子3a1、3a2
に入射する。このときの干渉光の位相は、 {−2πx/P}−{+2πx/P}=4πx/P となり、スケール上の第2回折格子G2が1/2ピッチ
移動するごとに1周期の明暗変化が生じる。本実施例で
は第3回折格子G3a、G3bを4分の1ピッチプラス
正数倍だけ離して配置し、G3a、G3b内を半分に分
け、分けた2つの格子部分を互いに2分の1ピッチだけ
ずらして配置すると、受光素子3a1、3b1、3a
2、3b2から90度づつ位相のずれた4相信号A、
B、A、Bを得ている。
【0036】本実施例は、干渉光学系が非常にシンプル
な構成であり、レンズ、回折格子をレプリカ製法等でガ
ラスの両面に作成すれば、小型で安価なエンコーダが実
現できる。
【0037】また、受光素子を、遮光マスク7によって
各々の領域に2分割され分離している為、スケールとヘ
ッドの取付誤差等が生じても、第3回折格子G3a、G
3bにおいて分離された干渉の光束は、前記2分割され
た受光素子の対応した一つの領域のみに入射する。さら
に、多分割された該第3回折格子G3において隣接した
領域の端で回折される光束もカットできる。従って、ス
ケールとヘッドの取付誤差等に依存しない、振幅と位相
差の安定した4相信号を得ることが出来る。
【0038】図7は本発明の第4実施例を示す概略図で
あり、図8は図7の装置の受光素子の構成配置を示す説
明図であり、図9は図7の第3回折格子G3の説明図で
ある。
【0039】1は半導体レーザー、LED等の発光素
子、2は折り曲げミラー、3a1、3a2、3b1、3
b2は干渉光を光電変換して変位検出信号(正弦波信
号)を出力する受光素子、G1は光束を分割する為の第
1回折格子、G2はスケールの目盛りである第2回折格
子、G3は光束を合成する為の4相に分割された第3回
折格子、6は発光素子1からの発散光を平行光に変換す
るコリメーターレンズ、7は遮光の為の十字状マスク、
Pは第3回折格子G3のピッチである。発光素子1から
射出した発散光束は、ミラー2で進路を曲げられて、レ
ンズ6によって平行光束Rにされ、第1回折格子G1に
入射し、そこで透過回折されて、主として、0次回折光
R0、+1次回折光R+1、+1次回折光R+1、の3
光束に分割されて射出する。
【0040】第1回折格子G1を直進した光束R0は、
スケール上に形成された第2回折格子G2上の点O2に
て反射回折されて、+1次回折光R0+1、−1次回折
光R0−1に分割されて位相変調を受ける。
【0041】+1次回折光R0+1の位相は+2πx/
Pだけずれる。但しここでxは回折格子G2の移動量、
Pは第2回折格子のG2のピッチである。
【0042】+1次回折光R0+1は第3回折格子G3
に入射し、そこで透過回折されて、0次回折光R0+1
0、−1次回折光R0+1−1とその他の光束に分割さ
れ、このうち−1次回折光R0+1−1は回折格子G3
の格子面と垂直に取り出され、波面の位相は、+2πx
/Pである。
【0043】第1回折格子G1にて+1次回折した光束
R+1は、スケール上の回折格子G2上の点O3にて反
射回折されて−1次回折光R+1−1、+1次回折光R
+1+1を含む複数の回折光に分割され、位相変調を受
ける。このうち−1次回折光R+1−1は、−2πx/
Pだけ位相がずれて、第3回折格子G3に入射し、第3
回折格子G3で透過回折され、そのまま直進した0次回
折光R+1−10とその他の光束に分割される。そのと
き第3回折格子G3を直進した0次回折光R+1−10
の波面の位相は、−2πX/Pである。
【0044】第3回折格子G3にて互いに光路を重ね合
わされ合成された回折光束R+1−10と回折光束R0
+1−1は、干渉光となって受光素子3a1〜3b2に
入射する。このときの干渉光の位相は、 {+2πx/P}−{−2πx/P}=4πx/P となり、スケール上の第2回折格子G2が1/2ピッチ
移動するごとに1周期の明暗変化が生じる。ここで、第
3回折格子G3の格子の配列を図9の様に行うと、受光
素子3a1〜3b2より、互いに位相差が90°づつず
れた安定した4相信号A、B、A、Bが得られる。
【0045】本実施例は、干渉光学系が非常にシンプル
な構成であり、レンズ、回折格子をレプリカ製法等でガ
ラスの両面に作成すれば、小型で安価なエンコーダが実
現できる。
【0046】一対の光束による1本の干渉光のみを用い
ているので、干渉光の干渉領域内では干渉状態がほぼ一
様であると見なせる。この一様な干渉領域を第3回折格
子G3の図9の様な構造により4分割する。4つの干渉
領域において干渉状態が一様な為に、第3回折格子G3
でついた各領域の位相差は一定に保たれる。図9より理
解されるように受光素子3a1と3a2、受光素子3b
1と3b2は、位相が互いに180度ずれた2信号Aと
A、BとBが得られ、図7の様に各々をA、B相とする
と互いに90度位相のずれた2相信号A、Bを得ること
ができる。
【0047】4分割され位相差の付いた4つの干渉光
は、ほぼ同一の光路を通る。これにより部品の精度等に
よる各相の出力への位相差の影響は、4相間で同一にな
る。これから部品の精度等による出力への位相差の影響
は、非常に少なくなる。
【0048】受光素子は、十字状遮光マスク7によって
4つに分離している。その為スケールとヘッドの取付誤
差等が生じても、第3回折格子G3において分離された
各干渉領域の光束は、4つの受光素子の対応した一つの
素子のみに入射する。さらに、多分割された第3回折格
子G3において隣接した領域の端で回折される光束もカ
ットできる。
【0049】図10は本発明の第5実施例を示す概略図
であり、図11は図10の装置の4相に分割された第3
回折格子の説明図であり、図12は図10の装置の受光
素子の配置と効果を示す説明図である。
【0050】1は半導体レーザー、LED等の発光素
子、2は折り曲げミラー、3a1、3a2、3b1、3
b2は干渉光を光電変換することにより変位検出信号を
出力する受光素子、G1は光束を分割する為の第1回折
格子、G2はスケールの目盛りである第2回折格子、G
3は光束は合成する為の4相に分割された第3回折格
子、6は発光素子1からの発散光を平行光に変換するコ
リメーターレンズ、Pは第3回折格子のピッチである。
発光素子1から射出した発散光束は、ミラー2で進路を
曲げられて、レンズ6によって平行光束Rにされて第1
回折格子G1に入射され、第1回折格子G1にて透過回
折されて、主として、0次回折光R0、+1次回折光R
+1、+1次回折光R+1、3光束に分割されて射出す
る。
【0051】第1回折格子G1を直進した光束R0は、
スケール上に形成された回折格子G2上の点O2にて反
射回折されて、+1次回折光R0+1、−1次回折光R
0−1を含む複数の光束に分割されて位相変調を受け
る。
【0052】+1次回折光R0+1の位相は+2πx/
Pだけずれる。但しここでxは回折格子G2の移動量、
Pは第2回折格子G2のピッチである。
【0053】+1次回折光R0+1は第3回折格子G3
に入射し、そこで透過回折されて、0次回折光R0+1
0、−1次回折光R0+1−1とその他の光束に分割さ
れ、このうち−1次回折光R0+1−1は第3回折格子
G3の格子面と垂直に取り出され、波面の位相は、+2
πx/Pである。
【0054】第1回折格子G1からの+1次回折光束R
+1は、スケール上の回折格子G2上の点O3にて反射
回折されて−1次回折光R+1−1、+1次回折光R+
1+1を含む複数の光束に分割され、位相変調を受け
る。このうち−1次回折光R+1−1、位相が−2πX
/Pだけずれて、第3回折格子G3に入射し、第3回折
格子G3で透過回折されそのまま直進した0次回折光R
+1−10とのその他の光束に分割される。そのとき第
3回折格子を直進した0次回折光R+1−10の波面の
位相は、−2πX/Pである。
【0055】第3回折格子G3にて互いに光路を重ね合
わされ合成された回折光束R+1−10と回折光束R0
+1−1は、干渉光となって受光素子3a1、3a2、
3b1、3b2に入射する。このときの干渉光の位相
は、 {+2πx/P}−{−2πx/P}=4πx/P となり、スケール上の第2回折格子G2が1/2ピッチ
移動するごとに1周期の明暗変化が生じる。ここで、第
3回折格子G3の格子の配列を図11の様にすると、受
光素子3a1〜3b2より90°ずつ位相差がある4相
信号A、B、A、Bが安定して得られる。
【0056】本実施例は、干渉光学系が非常にシンプル
な構成であり、レンズ、回折格子をレプリカ製法等でガ
ラスの両面に作成すれば、小型で安価なエンコーダが実
現できる。
【0057】一対の光束の干渉により形成される干渉光
の干渉状態は、他の干渉光の断面内でほぼ一様であると
見なせる。この一様な干渉光を第3回折格子G3を図1
1の様な構造をとすることにより4分割する。干渉光の
各部分(干渉領域)の干渉状態が一様な為に、第3回折
格子G3でついたそれぞれの領域の位相差は一定に保た
れる。図11より、受光素子3a1と3a2、3b1と
3b2は、位相が180度ずれた2信号が得られ、図1
0の様に各々をA、B相とすると互いに90度位相のず
れた安定した2相信号A、Bを得ることができる。
【0058】4分割され位相差の付いたそれぞれの干渉
光は、ほぼ同一の光路を通る。これにより部品の精度等
による各相の出力への位相差の影響は、4相間で同一に
なる。これから部品の精度等による出力への位相差の影
響は、非常に少なくなる。ヘッド部とスケール部による
相対取付誤差等で干渉状態が変化しセンサ面上で干渉縞
が立つと、A相、B相間の位相差が変化してしまう。し
かし光束を合成する第3回折格子G3が図11のように
構成されている為、A相、B相間の位相差はπ/2とい
う値から変化しない。
【0059】この理由を以下に述べる。図12(A)は
本発明の構成をとったときの各相のセンサ配置であり、
図12(B)は他の構成をとったときの各相のセンサ配
置である。A1相、A2相、B1相、B2相の出力振幅
をそれぞれφA1、φA2、φB1、φB2とする。またA1相
−A2相と、B1相−B2相の出力振幅をφA 、φB
する。ここでセンサ上に横縞が立ったとすると、縞が立
つ方向と同方向にセンサが配列された間では縞の状態が
同じ為に、位相差のズレは生じない。また縞に対して垂
直方向に配置されたセンサ間では縞の状態が異なる為、
位相差のズレはF(N)だけついてしまう(ここでNは
縞の本数で、F(N)はNの関数になっていて、詳しく
は最後に説明する)。従ってセンサA1を位相の基準と
すると、図12(A)のセンサ配置をとった場合、A1
相、A2相、B1相、B2相の出力振幅は、以下のよう
になる。ここでΦは、出力振幅の最大振幅で、kは出力
の振動に対応した波数ベクトル、xはスケールの移動
量、πは円周率である。
【0060】φA1=ΦSin[kx] φA2=ΦSin[kx+π+F(N)] φB1=ΦSin[kx+π/2+F(N)](1−1) φB2=ΦSin[kx+3π/2] また図12(B)のセンサ配置をとった場合、以下のよ
うになる。
【0061】φA1==ΦSin[kx] φA2=ΦSin[kx+π] φB1=ΦSin[kx+π/2+F(N)](2−1) φB2=ΦSin[kx+3π/2+F(N)] これから図12(A)のセンサ配置を取った場合にA、
B相の出力振幅φA 、φB は(1ー1)より以下のよう
になる。
【0062】φA =φA1−φA2=2ΦCos[F(N)
/2]Sin[kx+F(N)/2]=Φ′Sin[k
x+F(N)/2] φB =φB1−φB2=2ΦCoS[F(N)/2]Sin
[kx+π/2+F(N)/2] これよりA、B相間の位相差はδは δ=kx+π/2+F(N)/2−[kx+G(N)/
2]=π/2 となり縞の本数Nにかかわらず一定である。図12
(B)のセンサ配置をとった場合、A、B相の出力振幅
φA 、φB は(2−1)より以下の様になる。
【0063】φA =φA1−φA2=2ΦSin[kx]=
Φ′′Sin[kx] φB =φB1−φB2=2ΦSin[kx+π/2+F
(N)]=Φ′′Sin[kx+π/2+F(N)] これよりA、B相関の位相差δは δ=kx+π/2+F(N)−kx=π/2+F(N) となり0π/2に一定せず、縞の本数Nに依存して変化
してしまう。また縦縞が立った場合、図12(A)のセ
ンサ配置をとった場合においても、図12(B)のセン
サ配置をとった場合、A相とB相の位相差は一定にな
る。また斜め縞の場合、これを縦縞成分と横縞成分とに
分けて考えると、図12(A)のセンサ配置をとった場
合、縦横縞に対してA、B相関の位相差は変化しない為
一定になる。しかし図12(B)のセンサ配置をとった
場合は、横縞に対してA、B相関の位相差は変化してし
まう為、一定とはならない。次にF(N)について説明
する。正確に言うならばF(N)はセンサ形状と配置、
縞の本数、縞の立つ方向、光のコントラスト、光の強度
分布、の関数である。例えば、光のコントラストと強度
分布が一定であれば、センサの形状が円形の場合と長方
形の場合を比べると、円形の場合、縞がどの方向に立と
うともその出力の位相は変わらない。しかし長方形のセ
ンサの場合、縞の立つ方向によって同じ縞の状態でも信
号出力の大きさが変化し、この為信号出力の位相が変化
する。従って、センサの形状は円形の方が好ましい。
【0064】上記実施例では、第3回折格子G3の互い
に位相が異なる4つの部分が四角形状に分布している
が、四角形状以外の他の適当な形状に分布させることも
できる。
【0065】図13は上記エンコーダの応用例を示した
実施例であり、エンコーダを用いた駆動システムのシス
テム構成図である。モータやアクチュエータ、エンジン
等の駆動源を有する駆動手段100駆動出力部、あるい
は駆動される物体の移動部にはエンコーダ101が取付
けられ、変位量や変位速度等の変位状態を検出する。こ
のエンコーダとして前述の各実施例のいずれかを用い
る。このエンコーダ101の検出出力は制御手段102
にフィードバックされ、制御手段102においては設定
手段103で設定された状態となるように駆動手段10
0に駆動信号を伝達する。このようなフィードバック系
を構成することによって設定手段103で設定された駆
動状態を得ることができる。このような駆動システムは
例えばタイプライタ、プリンタ、コピーマシン、ファク
シミリ等の事務機器、また、カメラ、ビデオ装置などの
映像機器、更には情報記録再生機器、ロボット、工作機
械、製造装置、輸送機械、更にはこれらに限らず駆動手
段を有する装置全般に広く適用することができる。
【0066】本発明によれば、図1乃至図12に説明し
た実施例において、発光素子1と第1回折格子G1の間
に置いたレンズ6を省略した構成も採り得る。
【0067】本発明によれば、第3回折格子G3を受光
素子3の受光部上に形成し、両者を一体化した構成も採
れる。
【0068】本発明によれば、図1乃至図12で説明し
た実施例では変位検出信号を2相或いは4相に設定して
るのに対し、3相或いは5相以上の変位検出信号を得る
よう構成することもできる。
【0069】本発明は、図1乃至図12で説明した実施
例以外の構成の光学系を備えるエンコーダにも適用でき
る。
【0070】本発明では、第1〜第3回折格子G1〜G
3の形態は、位相型、振幅型のいづれも採れる。
【0071】
【発明の効果】本発明は、位相が異なる2相以上の変位
検出信号を安定して得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例を示す概略図である。
【図2】本発明の第1実施例を示す説明図で、(A)は
正面図、(B)は側面図である。
【図3】本発明の第2実施例を示す概略図である。
【図4】本発明の第2実施例で用いる4分割回折格子を
示す説明図である。
【図5】本発明の第3実施例を示す概略図である。
【図6】本発明の第3実施例で用いる受光素子を示す説
明図である。
【図7】本発明の第4実施例を示す概略図である。
【図8】本発明の第4実施例で用いる受光素子を示す説
明図である。
【図9】本発明の第4実施例で用いる4分割回折格子を
示す説明図である。
【図10】本発明の第5実施例を示す概略図である。
【図11】本発明の第5実施例で用いる4分割回折格子
である。
【図12】本発明の第5実施例で用いる4分割受光素子
の説明図である。
【図13】本発明の変位検出装置を備える駆動システム
の一例を示すブロック図である。
【符号の説明】
1 発光素子 2 ミラー 3 受光素子 10 スケール G1、G2、G3 回折格子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 近藤 浩史 東京都大田区下丸子3丁目30番2号キヤノ ン株式会社内

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 放射ビームを分割して得た2個のビーム
    を回折格子に照射する手段と一方のビームの照射により
    回折格子から生じる第1回折ビームと他方のビームの照
    射により回折格子から生じる第2回折ビームを合成する
    手段と第1、第2回折ビームの合成により形成された干
    渉ビームを受けて前記回折格子の変位を示す信号に変換
    する受光手段とを有する装置において、前記合成手段が
    互いに位相が異なる第1、第2回折格子を備え、前記受
    光手段が第1回折格子により形成された干渉光と第2回
    折格子により形成された干渉光とを個別に受ける第1、
    第2受光部を備えることを特徴とする変位検出装置。
  2. 【請求項2】 前記第1回折ビームが+m次回折光で前
    記第2回折ビームが−m次回折光であること(ただしm
    は自然数)を特徴とする請求項1の変位検出装置。
  3. 【請求項3】 前記合成手段が、前記第1、第2回折格
    子と位相が異なり且つ互いに位相が異なる第3、第4の
    回折格子を有し、前記受光手段が第3回折格子により形
    成された干渉光と第4回折格子により形成された干渉光
    とを個別に受ける第3、第4受光部を備えることを特徴
    とする請求項1、請求項2の変位検出装置。
  4. 【請求項4】 前記第1、第2、第3、第4回折格子が
    四角形状に分布せしめられ、互いに対角に位置する回折
    格子間の位相差をπ/2としたことを特徴とする請求項
    3の変位検出装置。
  5. 【請求項5】 前記受光手段の各受光部間に遮光部を設
    けたことを特徴とする請求項1〜請求項4の変位検出装
    置。
  6. 【請求項6】 前記合成手段の各回折格子間に遮光部を
    設けたことを特徴とする請求項1〜請求項5の変位検出
    装置。
  7. 【請求項7】 前記照射手段が前記2個のビームを得る
    為に前記放射ビームを分割する回折格子を有することを
    特徴とする請求項1〜請求項6の変位検出装置。
  8. 【請求項8】 前記2個のビームの一方が0次回折光
    で、他方が1次回折光であることを特徴とする請求項7
    の変位検出装置。
  9. 【請求項9】 前記第1回折ビームが+1次回折光で前
    記第2回折ビームが−1次回折光であることを特徴とす
    る請求項1〜請求項8の変位検出装置。
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