JPH07506669A - 相対的な動きを検出する装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 相対的な動きを検出する装置 従来技術 本願発明は変位を測定する光学機器に関し、特に、光源または検出ヘッドに対し 相対的に移動可能なスケール又は回折格子からの単色光の回折を利用するような 機器に関する。

これまで、光学回折格子からの光の回折を利用して相対変位を測定する装置が多 数提案されてきた。そのような従来技術は、例えば、ペティグル−（Ｐｅｔｔｉ ｇｒｅｗ）への特許第４．７７６、７０１号、カナヤマ他への特許第４，８１５ ，８５０号及びタニグチ他への特許第４，６７６．６４５号に見ることができる 。この種の商業的に入手可能な装置が、マサチュウセッツ州のベブアリーのオプ トラ社（Ｏｐｔｒａ）によって商標ｒＮａｎｏｓｃａｌｅＪが付されて販売され ている。しかし、各従来技術の装置は、回折格子から戻って得られその後−緒に 戻されて干渉するような異なる回折次数の分離又は拡大を含む。一般的には、か なりの数の光学素子が必要とされ、さらに、それぞれの素子は、非常にスペース を必要とし、また、器具をそれらの各々の設計に応じて作動するように整合しな ければならない。

多数の本願発明の目的の中で、特に、最小限度の素子を用いる相対位置を検出す る装置を提供すること、スペースに関する許容差及び装置素子の整合が比較的大 であるような装置を提供すること、容易に組み立てられるような装置を提供する こと、集積回路技術を用いることによって検出素子を得ることができるような装 置を提供すること、高精度の測定値を与えることができる装置を提供すること、 高信頼性及び比較的単純で廉価な構成の装置を提供することに注目することがで きる。他の目的及び特徴の一部は明白であり、一部を後述する。

本願発明の概要 本願発明に係る装置は、スケール又は格子（以下、総括的に「スケール」と称す る）を用いており、それは、既定の波長に関して、回折光を正及び負の第１次数 に集中する。スケールは選択波長の単色光を与える源に対して相対的に移動可能 であり、その源はスケールの長さ方向に沿う幅Ｗのスケールの領域を照らす。

多相周期的検出器はスケールに接近していて、各検出器位相又は要素が、中間反 射又は拡大することなく、主として、スケールから回折した正及び負の第１次数 の間の干渉に応答する。

図面の簡単な説明 図１は本願発明に係る変位検出装置の平面図である。

図２は、図１の装置に用いられた回折スケールに接近する領域において異なる次 数が干渉する状態を描く図である。

図３は、スケール又は格子から回折した光に関して図１の装置に用いられた周期 的多相検出器の作動を図示しており、スケールスペース及び回折角度を誇張した 図である。

図４は図３の検出器の全面の図である。

対応する参照符号は図面のそれぞれの図を通じて対応する部分を示す。

望ましい実施例の説明 説明の便宜上、図１は平面図として説明するが、当業者にとって明白であるよう に、装置はいかなる方向を向いても作動することができる。前述したように、本 願発明の装置は、全体として参照符号１１で示す検出ヘッドと、スケールつまり 格子１３との間での相対移動つまり変位を検出又は検知するように作動する。

検出ヘッド１１は、望ましくは参照符号１５で示すような半導体レーザのような 単色光源を含む。半導体レーザ１５はλで示す波長を持つ本質的に単色である光 を提供する。説明のためのみの便宜のため、相対移動の方向をＸ軸で示す。これ はスケールの長さ方向に沿う方向であるが、スケールの表面からの距離はＹ軸に 沿って測定するものと考える。対応するように、Ｚ軸を図の面と直交するように つまり垂直であるように考える。スケール１３はＺ軸と平行と規定する。

以下の記載から明白になるように、図示された実施例に用いられているスケール １３は反射するように作動し、また、選択された波長で回折した光を正及び負の 第１次数に集中し、さらにゼロ次の次数を最小化するように作られている。当業 者は理解するであろうが、その様な特性は、主として、λ／４、つまり１／４波 長である深さを採用することにより、さらに、表面を図３に示すように形成する ことにより得ることができる。本質的に等価なスケールを設計して伝達作動する ように設計できることは理解すべきである。半導体レーザ１５からの光は、レン ズ１７によってほぼコリメートされ、さらに、ミラー１９によってほぼ直交する 方向に向けられてスケール１３の面に向かい、スケールの長手方向への幅Ｗを持 つ領域２０を照射する。スケール１３から戻って回折した光は多相周期的検出器 ２５によって検出される。Ｘ軸に沿う検出器の周期は、スケール１３から回折し た正及び負の第１次数の干渉によって発生した干渉パターンの周期に対応し、す なわちＲ／２に等しい。検出器２５の作動領域の幅は、望ましくは、スケール１ ３上の照射領域の幅よりも十分に狭い。検出器２５はミラー１９からスケール１ ３に進む光ビームの通路にあるように図示しであるが、Ｚ方向内のスケール表面 にビームが正確に直交することは要求されないので、検出器は実際にはビームの 上方又は下方に設けることもできる。

図２を参照すると、スケール１３の長さに沿う幅Ｗの領域はレーザ源からのビー ムによって照射されている。ゼロ次の次数は本質的に直接反射されて戻るもので あり、このビームは参照符号３１によって示されている。正の第１次数は右に向 って角度θで回折するように図示されており、そのビームは参照符号３３で示さ れているが、負の第１次数は参照符号３５で示されており左に向かって同一の角 度で回折する。当業者は理解するであろうが、その角度θはａｒｃｓｉｎ（λ／ Ｐ）と等しい。ここでＰはＸ軸に沿うスケールの周期である。

明らかにわかるが、参照符号３７で示すような三角形の領域が現れており、中間 の反射又は拡大をすることなく、正及び負の第１次数が直接に干渉を行う。その 領域は、スケールからＷ／　（２ｔ　ａ　ｎθ）と等しい距離まで延出し、また 、近視野干渉の領域と考えることができる。フレネル干渉関知における用語「近 視野干渉」と混同することを避けるために、本願発明において用いられる干渉の 領域を、さらに、「前分離」干渉、つまり、正及び負の次数が分れる前の干渉と 正確に記載する。この領域においては、正及び負の次数は直接に干渉を行う。本 願発明によると、検出器２５はその領域内に配置されている。

スケール１３からの回折の偶数の次数及びゼロ次の次数を十分に排除するように 特性が作られているが、いく分かの認識できる程度のエネルギーは奇数の次数に 一般的には残るであろう。図２を参照すると、正及び負の第３次数ビームがそれ ぞれ参照符号４１及び４３によって示されている。当業者は理解するであろうが 、各ビームが出発する位置における法線からの角度はφであり、ここで、φ＝ａ ｒｃｓｉｎ（３λ／Ｐ）である。そこには、対応するように、干渉の前分離の三 角の領域が現れており、この領域を参照符号４７によって示す。この領域は、ス ケールから Ｗ／　（２ｔ　ａ　ｎφ） の距離まで延出している。

望ましくは、検出器２５は、正及び負の第３次数からの前分離干渉の領域よりも スケールからさらに離れており、これにより、得られた信号は、真の第１次数干 渉パターンの正弦波特性に最も接近して対応する。望ましくは、最大検出幅を得 るために、領域４７の頂点のすぐそばの外側に配置される。明白であるが、検出 器の全作動領域は望ましい干渉の領域内にあるべきである。

これまでの説明を考慮すると、照射領域２０の設計幅が回折スケールからの検出 面の設計空間に相当することが望ましいことがわかる。しかし、設計幅を越えた 照射により、望ましい干渉が妨げられるが、それより、高回折次数からのいくら かの寄与が許容されるだけであり、それは、照射の拡張した領域の部分によって 、より大きな回折角度で出る光が検出器に到達することができるからである、と いうことは理解すべきである。従って、検出空間と照射領域幅との不整合の問題 は、意図した機能の故障というよりも自然な徐々の低下によるものである。空間 は高精度である必要はないことは本願発明の特徴の一つである。

上で指摘したように、検出器２５の作動領域の幅は、スケール上の照射領域の幅 よりも狭い。従って、図３に示すように、領域２０の左側にある領域からの回折 の正の第１次数は、領域２０の右側のゾーンからの回折の負の第１の次数と交わ って干渉を行い、交わった光の組み合わせは検出器２５の検出面で干渉を行うこ とができる。

指摘したように、寸法及び角度は図２及び３において誇張しであるのは説明のた めである。実際の設計のための寸法及び角度は例えば以下のようにすることがで きるであろう。光源は、７８０ナノメータの波長の光を提供する半導体レーザで ある。スケール１３は１インチ毎に４２４ライン（１ミリメータ毎に１６．６４ ライン）と規定しており、これにより、周期Ｐは６０ミクロンとなる。

この結果、第１次数回折θの角度は１．７度であり、第３次数回折φは２．２度 である。照射領域の幅が１．０ミリメータであるとすると、干渉の前分離第１次 数領域はスケールから３８．５ミリメータ延出するが、干渉の前分離第３次数領 域はスケールから１２．８ミリメータ延出する。

当業者は理解するであろうが、正及び負の第１次数回折の組み合わせの干渉によ って生じる光強度のパターンは、スケール自体の周期性の２倍の周期性を持つで あろう。検出器２５は整合周期、つまり、Ｐ／２を持つように構成されており、 これにより、検出器の各位相における様々な素子からの寄与が加算的に組み合わ される。望ましくは、検出器２５は、細長いフォトダイオードの列からなる集積 回路として構成される。そのようなフォトダイオードを図４に示す。個々のフォ トダイオードを参照符号５１によって示す。上に指摘したように、列は多相であ る。例えば、方形信号を提供する２つの列は相対変位を明確にすることができる であろう。様々なフォトダイオード素子の内部接続を単純化するために、Ｚ軸方 向に２位相をオフセットすることによって製造をより単純化するための構成を実 行することができる。他の実施例は、相対的に広い面積のフォトダイオードを用 いることができ、フォトダイオードの各々には適当な位相の光を受け入れること ができる個別のマスクが設けられる。この構造は組み立てがより単純であるが、 入手できる光のエネルギーの利用においてはほとんど有効ではない。

さらに他の実施例においては、検出面における干渉後に、異なる角度での異なこ れにより、離隔された検出器を利用することができる。その凸レンズ状のスクリ ーンは従ってＸ軸に沿ってＰ／２の周期性を持つであろう。この場合は、光電検 出器自体をいわゆる前干渉の領域内に置く必要はないが、それより、検出面及び 干渉ポイントがその領域内にある凸レンズ状スクリーンの位置にある必要がある 。

同様に、検出器位相の各々の外に生じ得る最も真の正弦波を提供するために真の 次数干渉を達成することが望ましいが、他の次数による干渉はいくつかの応用に おいては過度に排除されないであろうし、また、整合パターンテーブルを用いる ことにより、十分に正確な補間を行うことができる。

例示により開示した実施例は単一軸に沿って検出を行うが、本願発明の技術は、 直交する方向に規定したスケールとともに各方向のための個々の検出器を用いる ことによって、組み合わせた２軸検出装置に適用することができる。単一の光源 は両方の軸に役立つことができる。直交のために、１つの軸に沿う移動と他方の 軸に沿う移動により発生する検出信号との間の相互作用は最小になるであろう。

検出器及び格子が回折信号に対する整合曲線を提供するように適切に形成される のであれば、または、十分に細い格子が用いられていたのであれば、本願発明は ロータリーエンコーダにも効果的に応用することができる。

上記を考慮すると、本願発明の様々な目的が達成でき、また、他の有利な結果が 達成できたことがわかるであろう。

本願発明の範囲から逸脱することなく上記の構成において様々な変形を行うこと ができるので、上記の説明に含まれ又は添付図面に示された全ての事項は例示と して解釈されるべきであり、限定事項ではない。

ＦＩＧ、　２ 寸

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １相対移動を検出する装置であって、 源に対する相対移動を行い、周期Ｐと、既定の波長λで回折した光を正及び負の 第１次数に集中する特性とを持つ回折スケールと、波長λの光を用いて前記スケ ールの長さ方向に沿う幅Ｗを持つ該スケールの領域を照射する手段と、 前記スケールから以下の距離より小さな距離だけ離れた検出面を持つ周期的検出 器とを備えており、 Ｗ／（２ｔａｎθ） ここで、θ＝ａｒｃｓｉｎ（λ／Ｐ）であり、前記検出器の周期がＰ／２に等し く、これにより、前記検出器が前記スケールから回折した正及び負の第１次数の 間にある検出面における干渉に主として応答する装置。 ２請求項１記載の装置において、前記検出面が前記スケールから以下の距離より も大きな距離だけ離れている装置、 Ｗ／（２ｔａｎφ） ここで、φ＝ａｒｃｓｉｎ（３λ／Ｐ）である。 ３相対移動を検出する装置であって、 波長λの単色光の源と、 該源に対する相対移動を行い、周期Ｐと、前記波長λで回折した光を正及び負の 第１次数に集中し、また、ゼロ次の次数を最小化する特性とを持つ反射回折スケ ールと、 前記源からの光を前記スケールの長さ方向に沿う幅Ｗを持つ該スケールの領域に 向ける手段と、 前記スケールから以下の距離より小さな距離だけ離れた検出面を持つ多相周期的 検出器とを備えており、 Ｗ／（２ｔａｎθ） ここで、θ＝ａｒｃｓｉｎ（λ／Ｐ）であり、前記検出器の周期がＰ／２に等し く、これにより、前記検出器が前記スケールから回折した正及び負の第１次数の 間にある前記検出面における干渉に主として応答する装置。 ４請求項３記載の装置において、前記検出器が平行で細長いフォトダイオードか らなる装置。 ５請求項３記載の装置において、前記検出面が前記スケールから以下の距離より も大きな距離だけ離れている装置、 Ｗ／（２ｔａｎφ） ここで、φ＝ａｒｃｓｉｎ（３λ／Ｐ）である。 ６相対移動を検出する装置であって、 波長λの単色光を提供する半導体レーザと、該レーザに対する長手方向への相対 移動を行う細長い反射回折スケールであって、周期Ｐと、前記波長λで回折した 光を正及び負の第１次数に集中し、また、ゼロ次の次数を最小化する特性とを持 って、長さ方向に対し横方向に規定された細長い反射回折スケールと、 前記レーザからの光を前記スケールの長さ方向に沿う幅Ｗを持つ該スケールの領 域に向ける手段と、 前記スケールから以下の距離より小さな距離だけ離れた平坦な平行列に配置され た複数の細長い光電検出器とを備えており、Ｗ／（２ｔａｎθ） ここで、θ＝ａｒｃｓｉｎ（λ／Ｐ）であり、前記検出器が、Ｐ／２に等しい周 期を持つ周期多相列として相互接続されており、これにより、前記検出器が前記 スケールから回折した正及び負の第１次数の間にある前記検出面における干渉に 主として応答する装置。