JPH085329A - 格子干渉型変位検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 装置の小型化を図ることができるとともに、
スケールの回折格子上の回折点での入射角と回折角とを
一致させて検出信号の質の向上や回折効率の向上を図る
ことができる格子干渉型変位検出装置の提供。 【構成】 光源１３から出射されて光束分岐手段２１を
介してスケール１１の回折格子１２上の異なる二つの回
折点Ｐ１，Ｐ２に至る各光束（各分岐光束Ａ，Ｂ）の光
路と、これらの回折点Ｐ１，Ｐ２で回折されて光束混合
手段３１を介して各検出器４１Ａ，４１Ｂに至る各光束
（各１次回折光Ａ１，Ｂ１）の光路とを、スケール１１
の同一側であって異なる面内に配置するとともに、光束
分岐手段２１および光束混合手段３１に透過型の回折格
子１４を用いた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光源からの光束を二波
に分岐してスケールの回折格子上の異なる二点に入射さ
せ、これらの点で生成された複数の光束の混合波を電気
信号として検出する格子干渉型変位検出装置に関し、ス
ケールに反射型の回折格子を用いて光学系を構成する場
合に利用できる。

【０００２】

【背景技術】従来の光電型エンコーダの高分解能化を図
ったものの一つとして、スケールにホログラフィの技術
を用いて微細なピッチ（通常、１μｍ程度）の目盛りを
形成し、その目盛りを回折格子として利用して相対変位
を高精度に検出する格子干渉型変位検出装置が知られて
いる。これは、光源からの光束を二波に分岐してスケー
ルの回折格子上の一または二つの点に入射させ、この点
で生成された複数の光束の混合波を電気信号として検出
するもので、スケールに反射型の回折格子を用いたもの
と、透過型の回折格子を用いたものとに分類できる。

【０００３】後者の透過型の回折格子を用いたものとし
て、例えば、特開平５−１９２４号公報に記載された格
子干渉型変位検出装置が知られている。この格子干渉型
変位検出装置６００は、図７に示す如く、図中左右方向
に変位可能に設けられかつその変位方向に沿って透過型
の回折格子６０２が形成されたスケール６０１と、レー
ザ光源６０３と、このレーザ光源６０３から出射された
レーザビームを二波に分岐して各分岐光束Ａ，Ｂをスケ
ール６０１上の異なる二つの回折点Ｐ１，Ｐ２に入射さ
せるプリズム６０５と、回折点Ｐ１，Ｐ２で回折された
二つの１次回折光Ａ１，Ｂ１の交点位置（図中Ｋ点）に
配置され各１次回折光Ａ１，Ｂ１を分岐させて一方の光
束の回折光と他方の光束の透過光とを混合させることに
より二つの混合波ＭＡ，ＭＢを生成する透過型の回折格
子６０７と、その混合波ＭＡ，ＭＢを電気信号に変換す
る検出器６０８Ａ，６０８Ｂとにより構成されている。

【０００４】そして、プリズム６０５の斜辺には、レー
ザ光源６０３から出射されたレーザビームを図中Ｒ点で
回折および透過させることにより二波に分岐する透過型
の回折格子６０４が設けられ、斜辺を挟む他の二辺に
は、二波の偏光方向を直交させる偏光素子６０６Ａ，６
０６Ｂが設けられている。また、二枚の透過型の回折格
子６０４，６０７は、いずれもスケール６０１と平行に
配置されている。

【０００５】ここで、プリズム６０５（透過型の回折格
子６０４、偏光素子６０６Ａ，６０６Ｂ）により光束分
岐手段６０９が構成され、透過型の回折格子６０７によ
り光束混合手段６１０が構成されている。また、検出器
６０８Ａは、透過型の回折格子６０７で混合された一方
の混合波ＭＡの偏光方向を一致させて干渉させる偏光板
６１１Ａと、この偏光板６１１Ａで干渉させられた光束
を電気信号に変換する受光素子６１２Ａとにより構成さ
れている。そして、検出器６０８Ｂは、透過型の回折格
子６０７で混合された他方の混合波ＭＢの一偏光成分の
みの位相を９０度遅らせる１／４波長板６１３と、この
１／４波長板６１３を通過した混合波ＭＢの偏光方向を
一致させて干渉させる偏光板６１１Ｂと、この偏光板６
１１Ｂで干渉させられた光束を電気信号に変換する受光
素子６１２Ｂとにより構成されている。

【０００６】このような格子干渉型変位検出装置６００
においては、レーザ光源６０３から出射されたレーザビ
ームは、プリズム６０５によって互いに偏光方向が直交
する二波に分岐される。各分岐光束Ａ，Ｂは、それぞれ
スケール６０１の回折格子６０２上の回折点Ｐ１，Ｐ２
に入射される。この際、回折点Ｐ１，Ｐ２で各分岐光束
Ａ，Ｂの１次回折光Ａ１，Ｂ１が生成される。これらの
各１次回折光Ａ１，Ｂ１は、透過型の回折格子６０７で
混合された後、検出器６０８Ａ，６０８Ｂによって電気
信号に変換される。

【０００７】従って、格子干渉型変位検出装置６００で
は、スケール６０１の移動量を干渉光の明暗として検出
するに際し、互いに逆方向に位相シフトされた１次回折
光Ａ１，Ｂ１同士の干渉を利用しているので、スケール
６０１が回折格子６０２の一ピッチ分だけ変位したとす
ると、各検出器６０８Ａ，６０８Ｂからは、二周期分の
完全正弦波信号φＡ，φＢが得られる（二回の明暗が得
られる）。このため、回折格子６０２の一ピッチを光学
的に二分割したことになるので分解能の向上が図られて
いる。例えば、回折格子６０２の一ピッチを０．５μｍ
とすると、各検出器６０８Ａ，６０８Ｂから得られる正
弦波信号φＡ，φＢは、０．２５μｍの分解能に相当す
る周期となる。

【０００８】また、一方の検出器６０８Ｂに１／４波長
板６１３を設けたので、二つの検出器６０８Ａ，６０８
Ｂから得られる正弦波信号φＡ，φＢは、互いに９０度
位相の異なるものとなり、これによりスケール６０１の
変位方向を把握できるようになっている。

【０００９】なお、図中左側の検出器６０８Ａに送られ
る混合波ＭＡは、レーザ光源６０３から出射されて検出
器６０８Ａに至るまでに一回回折された光束と三回回折
された光束とを混合したものとなっている。つまり、一
回回折された光束とは、スケール６０１の回折格子６０
２上の回折点Ｐ２のみで回折された光束（分岐光束Ｂお
よびその１次回折光Ｂ１）のことであり、一方、三回回
折された光束とは、透過型の回折格子６０４上の点Ｒ、
スケール６０１の回折格子６０２上の回折点Ｐ１、およ
び透過型の回折格子６０７上の点Ｋにおいて、それぞれ
回折された光束（分岐光束Ａおよびその１次回折光Ａ
１）のことである。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
たような透過型の回折格子６０２をスケール６０１とし
て用いた格子干渉型変位検出装置６００の場合には、ス
ケール６０１を両側（図７中上下）から挟み込む状態で
検出系を構成しなければならないため、検出系が大型化
する、あるいはスケール６０１の取り付けの自由度が制
限されてしまうという問題がある。

【００１１】これに対し、反射型の回折格子をスケール
として用いることにより検出系の小型化やスケールの取
り付け自由度の向上を図ることが考えられる。つまり、
前述した図７の格子干渉型変位検出装置６００を単純に
スケール６０１の位置で折り返した状態の検出系を構成
することが考えられる。ところが、反射型の回折格子を
スケールとして用いることにより格子干渉型変位検出装
置６００を単純に折り返した状態の検出系を構成しよう
とすると、レーザ光源６０３と検出器６０８Ａの設置位
置が一致してしまうため、検出系を成立させることはで
きない。

【００１２】また、仮にスケール６０１上の回折点Ｐ
１，Ｐ２における入射角と回折角とを異なる角度として
格子干渉型変位検出装置６００を折り返した状態の検出
系を構成したとしても、スケール６０１とその他の機器
とのアライメントおよびその変動に対し、鈍感な光学系
を構成することはできないという問題がある。つまり、
スケール６０１がその他の機器に対して傾いたり、回転
したりした場合に、混合されて干渉する二光束の光路差
や光路長差が大きくなり、検出信号の質やエンコーダと
しての計数に悪影響が及ぶという問題がある。

【００１３】本発明の目的は、装置の小型化を図ること
ができるとともに、スケールの回折格子上の回折点での
入射角と回折角とを一致させて検出信号の質の向上や回
折効率の向上を図ることができる格子干渉型変位検出装
置を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、光束分岐手段
および光束混合手段として透過型の回折格子を用いかつ
発光側（光源のある側）の光学系と受光側（受光素子の
ある側）の光学系とを異なる面内に配置して前記目的を
達成しようとするものである。具体的には、本発明は、
反射型の回折格子を有するスケールと、光束を出射する
光源と、この光源からの光束を二波に分岐しかつその各
分岐光束を前記スケールの回折格子上の異なる二点に入
射させる光束分岐手段と、前記スケールの回折格子によ
って生成された複数の光束を混合させる光束混合手段
と、この光束混合手段によって混合された混合波を電気
信号に変換する検出器とを備えた格子干渉型変位検出装
置であって、前記光束分岐手段が、前記光源からの光束
を回折および透過させることにより二波に分岐しかつそ
の各分岐光束を前記スケールの回折格子上の異なる二点
に入射させる透過型の回折格子を含み構成されるととも
に、前記光束混合手段が、前記スケールの回折格子上で
回折された二つの光束の交点位置に配置され各々の光束
を分岐させて一方の光束の回折光と他方の光束の透過光
とを混合させることにより二つの混合波を生成する透過
型の回折格子を含み構成され、前記光源から出射されて
前記光束分岐手段を介して前記スケールの回折格子上に
至る各光束の光路と、前記スケールの回折格子上で回折
されて前記光束混合手段を介して前記検出器に至る各光
束の光路とを、前記スケールの同一側であって異なる面
内に配置したことを特徴とする。

【００１５】また、本発明の格子干渉型変位検出装置
は、前記光束混合手段が、前記透過型の回折格子で生成
された混合波のうち前記光源とは反対側に向かう混合波
を二波に分岐する無偏光ビームスプリッタを含み構成さ
れていることを特徴とする。

【００１６】さらに、本発明の格子干渉型変位検出装置
は、前記光源からの光束が分岐される前記光束分岐手段
の透過型の回折格子上の点とこの点で分岐された各分岐
光束のうちいずれか一方の分岐光束が入射される前記ス
ケールの回折格子上の点との間の光路の途中、および前
記一方の分岐光束が入射される前記スケールの回折格子
上の点とこの点で回折された光束が前記光束混合手段の
透過型の回折格子上に至る点との間の光路の途中に、そ
れぞれ同じ方位の偏光成分の位相を９０度遅らせるよう
に配置された１／４波長板が設けられていることを特徴
とする。ここで、二つの光路の途中に設けられる１／４
波長板は、それぞれ別々の１／４波長板であってもよ
く、兼用された一枚の１／４波長板であってもよい。ま
た、前記いずれか一方の分岐光束は、前記光束分岐手段
で分岐された二波のうちの任意の光束であってよく、要
するに、二波のうちの一方の光束およびその１次回折光
の各光路に１／４波長板が設けられていればよい。

【００１７】そして、以上のような本発明の格子干渉型
変位検出装置において、前記光束分岐手段を構成する透
過型の回折格子および前記光束混合手段を構成する透過
型の回折格子は、一枚の透過型の回折格子により構成さ
れていることが望ましい。また、前記透過型の回折格子
（前記光束分岐手段を構成する透過型の回折格子および
前記光束混合手段を構成する透過型の回折格子）と前記
スケールの回折格子（反射型の回折格子）とは、同一ピ
ッチであることが望ましい。

【００１８】さらに、以上のような本発明の格子干渉型
変位検出装置を構成するに際しては、スケールの回折格
子に入射される各分岐光束の入射角と、これらの各分岐
光束がスケールの回折格子上で回折されて生成された各
１次回折光の回折角とは、一致させてもよく、あるいは
異なる角度としてもよい。しかし、これらの入射角と回
折角とは、検出信号の質の向上や回折効率の向上等の点
から、一致させておくことが好ましい。

【００１９】

【作用】このような本発明においては、光源からの光束
を光束分岐手段により二波に分岐してスケールの反射型
の回折格子上の異なる二点に入射させ、これらの点で回
折された二つの光束を光束混合手段により混合し、この
混合波を検出器により干渉させて電気信号として検出す
ることにより、スケールの変位を把握する。この際、発
光側の光学系、すなわち光源から出射されて光束分岐手
段を介してスケールの回折格子上に至る各光束の光路
と、受光側の光学系、すなわちスケールの回折格子上で
回折されて光束混合手段を介して検出器に至る各光束の
光路とが、異なる面内に配置されているので、発光側の
光学系を構成する各機器と受光側の光学系を構成する各
機器との配置位置が干渉することはなく、各機器の配置
構成の自由度が向上する。

【００２０】このため、スケールの回折格子上の回折点
に入射される各分岐光束の入射角と、これらの各分岐光
束が回折点で回折されて生成された各１次回折光の回折
角とを一致させることが可能となる。これにより、スケ
ールとその他の各機器とのアライメントおよびその変動
に対し、鈍感な光学系を構成することが可能となる。つ
まり、入射角と回折角とを一致させれば、スケールがそ
の他の各機器に対して傾いたり、回転したりした場合
に、混合されて干渉する二光束の光路差や光路長差がほ
とんど生じなくなるため、検出信号の質やエンコーダと
しての計数にほとんど影響が及ばないうえ、スケールと
その他の各機器との間隔が変化した場合にも、光路変化
が全く生じないようになる。また、入射角と回折角との
一致により、回折効率が最大となり、回折効率の向上を
図ることが可能となる。なお、本発明においては、必ず
しもこれらの入射角と回折角とを一致させる必要はな
い。

【００２１】また、スケールとして反射型の回折格子を
用いているので、発光側の光学系と受光側の光学系とが
スケールの同一側に配置されるため、前述した透過型の
回折格子６０２をスケール６０１として用いた格子干渉
型変位検出装置６００（図７参照）の場合に比べ、装置
の小型化やスケールの取り付け自由度の向上が図られ
る。

【００２２】そして、透過型の回折格子により、光源か
らの光束を二波に分岐しかつその各分岐光束をスケール
の回折格子上の異なる二点に入射させるとともに、スケ
ールの回折格子上で回折された二つの光束を混合させる
ようにしたので、ビームスプリッタを用いて同様な機能
を実現する場合に比べ、スケールから光源および検出器
までの距離が短くなり、装置の小型化がより一層図ら
れ、これらにより前記目的が達成される。

【００２３】また、光束混合手段を構成する透過型の回
折格子で生成された二つの混合波のうち光源とは反対側
に向かう混合波を二波に分岐する無偏光ビームスプリッ
タを設ければ、この無偏光ビームスプリッタで分岐され
て検出器に送られる混合波はそれぞれ同じ回数だけ回折
された光束どうしの混合波となるので、前述した格子干
渉型変位検出装置６００のような一回回折された光束と
三回回折された光束との混合波ＭＡが検出器６０８Ａに
送られる場合に比べ、検出信号の質が向上される。つま
り、無偏光ビームスプリッタに送られる混合波は、光源
から出射された後に光束分岐手段を構成する透過型の回
折格子により回折（一回目の回折）され、さらにスケー
ルの回折格子上の回折点で回折（二回目の回折）され、
光束混合手段を構成する透過型の回折格子を透過して無
偏光ビームスプリッタに至る光束と、光源から出射され
た後に光束分岐手段を構成する透過型の回折格子を透過
し、スケールの回折格子上の回折点で回折（一回目の回
折）され、さらに光束混合手段を構成する透過型の回折
格子により回折（二回目の回折）されて無偏光ビームス
プリッタに至る光束との混合波となるので、同じ回数だ
け回折された光束どうしを混合したものとなる。

【００２４】さらに、光束分岐手段の透過型の回折格子
上の点とスケールの回折格子上の点との間の光路の途
中、およびスケールの回折格子上の点と光束混合手段の
透過型の回折格子上の点との間の光路の途中に、それぞ
れ同じ方位の偏光成分の位相を９０度遅らせるように配
置された１／４波長板を設けておけば、光束混合手段の
透過型の回折格子上に集まる二つの光束の偏光方向を、
容易に互いに直交した状態にすることが可能となる。

【００２５】また、光束分岐手段を構成する透過型の回
折格子および光束混合手段を構成する透過型の回折格子
を、一枚の透過型の回折格子により構成した場合には、
装置が簡略化されるため、装置の小型化、コスト低減が
より一層図られる。さらに、透過型の回折格子とスケー
ルの回折格子とを、同一ピッチとしておけば、光源の波
長が変動した際に、波長変動に伴う回折角変動が小さく
なるため、混合する二光束の光路ずれを生じないように
なり、混合波が確実に得られる。

【００２６】

【実施例】以下、本発明の各実施例を図面に基づいて説
明する。 〔第一実施例〕図１および図２には、本発明の第一実施
例である格子干渉型変位検出装置１０が示されている。
図１（Ａ）は格子干渉型変位検出装置１０の発光側の構
成図、図１（Ｂ）は受光側の構成図、図２は格子干渉型
変位検出装置１０の発光側および受光側の各光路の配置
状態を示す概略斜視図である。また、図１（Ａ）および
図１（Ｂ）は、いずれも図２中の矢印Ｙの方向から見た
状態である。

【００２７】図１（Ａ）において、格子干渉型変位検出
装置１０は、図中左右方向に変位可能に設けられかつそ
の変位方向に沿って反射型の回折格子１２が形成された
スケール１１と、図中左上に設けられたレーザビームを
出射するレーザ光源１３と、スケール１１の図中上側に
スケール１１と平行に設けられた透過型の回折格子１４
とを備えている。

【００２８】これらのレーザ光源１３および透過型の回
折格子１４などにより形成される格子干渉型変位検出装
置１０の発光側の各光路は、図２中手前側に位置する第
一の面２０内に配置されている。この第一の面２０は、
スケール１１の変位方向（図２中Ｘ方向）に沿いかつス
ケール１１の回折格子１２の法線を含む面Ｎと所定の角
度φをなすように配置されている。

【００２９】図１（Ｂ）において、格子干渉型変位検出
装置１０は、図中略中央に配置された前記透過型の回折
格子１４と、この透過型の回折格子１４の上側にスケー
ル１１に対して直角をなすように設けられた無偏光ビー
ムスプリッタ１５と、この無偏光ビームスプリッタ１５
の両側に設けられた二つの検出器４１Ａ，４１Ｂと、光
量モニタ１６とを備えている。

【００３０】これらの透過型の回折格子１４、無偏光ビ
ームスプリッタ１５、光量モニタ１６、および検出器４
１Ａ，４１Ｂなどにより形成される格子干渉型変位検出
装置１０の受光側の各光路は、図２中奥側に位置する第
二の面３０内に配置されている。この第二の面３０は、
回折格子１２の法線を含む面Ｎと所定の角度φをなすよ
うに配置され、回折格子１２の法線を含む面Ｎに対して
前述した第一の面２０と対称をなしている。そして、以
上に述べたレーザ光源１３、透過型の回折格子１４、無
偏光ビームスプリッタ１５、光量モニタ１６、および各
検出器４１Ａ，４１Ｂは、スケール１１に対して全て同
じ側（図中上側）に設けられている。

【００３１】透過型の回折格子１４は、図１（Ａ）およ
び図１（Ｂ）の紙面直交方向に延びて繋がっており、第
一の面２０および第二の面３０の両方の面を横切るよう
に配置されている。そして、図１（Ａ）に示すように、
図中Ｒ点の位置でレーザ光源１３からのレーザビームを
回折および透過させることにより二つの分岐光束Ａ，Ｂ
に分岐するとともに、図１（Ｂ）に示すように、これら
の分岐光束Ａ，Ｂがスケール１１の回折格子１２（回折
点Ｐ１，Ｐ２）上で回折されて生成された二つの１次回
折光Ａ１，Ｂ１の交点位置（図中Ｋ点の位置）に配置さ
れこれらの１次回折光Ａ１，Ｂ１の各々を回折および透
過させることにより二つの混合波を生成するようになっ
ている。この透過型の回折格子１４のピッチは、スケー
ル１１の回折格子１２と同一ピッチとなっている。ま
た、透過型の回折格子１４は、レーザ光源１３に対して
固定されているため、この透過型の回折格子１４で回折
される光束は、位相変化しない。

【００３２】無偏光ビームスプリッタ１５は、図１
（Ｂ）に示すように、透過型の回折格子１４により生成
された二つの混合波のうちレーザ光源１３とは反対側
（図中右側）に向かう混合波を偏光方向を変えずに二波
に分岐し、各検出器４１Ａ，４１Ｂに送るように配置さ
れている。ここで、透過型の回折格子１４により光束分
岐手段２１が構成され、透過型の回折格子１４および無
偏光ビームスプリッタ１５により光束混合手段３１が構
成されている。つまり、透過型の回折格子１４は、光束
分岐手段２１および光束混合手段３１に兼用されてい
る。

【００３３】検出器４１Ａは、無偏光ビームスプリッタ
１５で分岐された一方の混合波の一偏光成分のみの位相
を９０度遅らせる１／４波長板４２と、この１／４波長
板４２を通過した混合波の偏光方向を一致させて干渉さ
せる偏光板４３Ａと、この偏光板４３Ａで干渉させられ
た光束を電気信号に変換する受光素子４４Ａとにより構
成されている。そして、検出器４１Ｂは、無偏光ビーム
スプリッタ１５で分岐された他方の混合波の偏光方向を
一致させて干渉させる偏光板４３Ｂと、この偏光板４３
Ｂで干渉させられた光束を電気信号に変換する受光素子
４４Ｂとにより構成されている。

【００３４】光量モニタ１６は、透過型の回折格子１４
により生成された二つの混合波のうちレーザ光源１３側
（図中左側）に向かう混合波が入射されるように配置さ
れ、スケール１１の回折効率変動に対する補償を行うた
めに設けられている。

【００３５】図１（Ａ）において、レーザ光源１３から
の光束が分岐される透過型の回折格子１４上の点Ｒとこ
の点Ｒで分岐された一方の分岐光束Ｂが入射されるスケ
ール１１の回折格子１２上の回折点Ｐ２との間の光路の
途中には、１／４波長板５１が設けられている。また、
図１（Ｂ）において、スケール１１の回折格子１２上の
回折点Ｐ２とこの回折点Ｐ２で回折された１次回折光Ｂ
１が透過型の回折格子１４上に至る点Ｋとの間の光路の
途中には、１／４波長板５２が設けられている。これら
の１／４波長板５１，５２は、それぞれ分岐光束Ｂ（直
線偏光）の偏光方向に対して４５度位相遅れの方位を傾
けて配置されるとともに、同じ方位の偏光成分の位相を
９０度遅らせるように同じ配置とされている。

【００３６】従って、分岐光束Ｂとその１次回折光Ｂ１
とは、同じ配置とされた二枚の１／４波長板５１，５２
を通過することになるので、一偏光成分のみの位相が１
８０度遅れるようになり、結局、１／４波長板５１を通
過する前の分岐光束Ｂ（直線偏光）と１／４波長板５２
を通過した後の１次回折光Ｂ１（直線偏光）とは、偏光
方向が９０度回転した状態となる。一方、分岐光束Ａと
その１次回折光Ａ１とは、１／４波長板を通過しないの
で、偏光方向は変わらない。これにより、透過型の回折
格子１４の点Ｋに集まる各１次回折光Ａ１，Ｂ１は、互
いに偏光方向が直交した状態となっている。

【００３７】図３には、スケール１１の拡大断面が示さ
れている。スケール１１は、図中上側に配置されたガラ
ス１１Ａと、下側に配置されたミラー面１１Ｂと、これ
らの間に挟まれた体積位相型の回折格子（ホログラム回
折格子）１２とが積層された構造を有している。

【００３８】また、図４に示すように、回折格子１２と
ミラー面１１Ｂとの間に、隙間Ｄが形成される場合に
は、この隙間Ｄを次のように適切な寸法に調整してお
く。すなわち、図４において、入射光Ｃに対して、回折
格子１２で生成される光束は次の四種類であり、（１）
回折格子１２で回折された後にミラー面１１Ｂで反射さ
れて回折格子１２を透過する光束Ｃ１と、（２）回折格
子１２を透過した後にミラー面１１Ｂで反射されて回折
格子１２で回折される光束Ｃ２と、（３）回折格子１２
を透過した後にミラー面１１Ｂで反射されて再び回折格
子１２を透過する光束Ｃ３と、（４）回折格子１２で回
折された後にミラー面１１Ｂで反射されて再び回折格子
１２で回折される光束Ｃ４とがある。

【００３９】これらのうち光束Ｃ１，Ｃ２は、回折格子
１２で一回回折された１次回折光であるため、スケール
１１の移動によって位相変化を生じる光束である。この
ため、前述した隙間Ｄを光束の幅に対して充分に小さい
ものとする場合には、これらの光束Ｃ１，Ｃ２が干渉す
ることによって光強度を強め合うように隙間Ｄを調整す
るとともに、スケール１１のストローク中において隙間
Ｄが一定に保たれるようにしておく。また、隙間Ｄを比
較的大きくする場合（例えば、光束の幅が１ｍｍ程度の
時に隙間Ｄを３ｍｍ程度とする場合など）には、二つの
光束Ｃ１，Ｃ２のうちいずれか一方の光束のみを利用
し、他方の光束はスケール１１から出射した後に遮断す
る等して利用しないようにしてもよい。

【００４０】なお、残りの二つの光束Ｃ３，Ｃ４は、回
折格子１２で一回も回折されないか、あるいは二回回折
されるため、スケール１１の移動によって位相変化を生
じない光束であり、共に反射光（０次光）として取り扱
うことができる。また、このような回折格子１２として
は、例えば、格子ピッチが５００ｎｍ程度、レーザ光源
１３の波長が７８０ｎｍ程度のものを採用することがで
きる。

【００４１】このような第一実施例においては、以下の
ようにスケール１１の移動量が検出される。先ず、レー
ザ光源１３から出射されたレーザビームは、透過型の回
折格子１４上の点Ｒで回折および透過されて二波に分岐
される。この際、点Ｒでの回折角と透過角とは、同じ角
度（θ１）となっている。そして、透過型の回折格子１
４上の点Ｒで回折された分岐光束Ａは、スケール１１の
回折格子１２上の回折点Ｐ１に入射され、一方、点Ｒで
透過された分岐光束Ｂは、１／４波長板５１を通過した
後に、スケール１１の回折格子１２上の回折点Ｐ２に入
射される。

【００４２】各回折点Ｐ１，Ｐ２では、各分岐光束Ａ，
Ｂの１次回折光Ａ１，Ｂ１および反射光（０次光）Ａ
０，Ｂ０が生成される。なお、各回折点Ｐ１，Ｐ２にお
いて、各分岐光束Ａ，Ｂの回折点Ｐ１，Ｐ２への入射角
θ１と、各１次回折光Ａ１，Ｂ１の回折角θ２とは、同
じ角度となっている。

【００４３】次に、１次回折光Ａ１は、透過型の回折格
子１４上の点Ｋに至り、一方、１次回折光Ｂ１は、１／
４波長板５２を通過した後に、透過型の回折格子１４上
の点Ｋに至る。また、各０次光Ａ０，Ｂ０は、スケール
１１の回折格子１２上の各回折点Ｐ１，Ｐ２から図中左
右方向に除去される。そして、透過型の回折格子１４上
の点Ｋでは、各１次回折光Ａ１，Ｂ１の各々が回折およ
び透過されることにより二つの混合波が生成される。つ
まり、１次回折光Ａ１の回折光と１次回折光Ｂ１の透過
光とが混合されてレーザ光源１３側（図中左側）に向か
う混合波が生成されるとともに、１次回折光Ａ１の透過
光と１次回折光Ｂ１の回折光とが混合されてレーザ光源
１３とは反対側（図中右側）に向かう混合波が生成され
る。

【００４４】その後、透過型の回折格子１４上の点Ｋか
らレーザ光源１３側に向かう混合波は、光量モニタ１６
に入射され、一方、レーザ光源１３とは反対側に向かう
混合波は、無偏光ビームスプリッタ１５で分岐されて各
検出器４１Ａ，４１Ｂに至り、電気信号に変換される。
なお、各検出器４１Ａ，４１Ｂに至る混合波は、透過型
の回折格子１４上の点Ｒおよびスケール１１の回折格子
１２上の各回折点Ｐ１で合計二回回折された光束と、ス
ケール１１の回折格子１２上の各回折点Ｐ２および透過
型の回折格子１４上の点Ｋで合計二回回折された光束と
の混合波となっている。一方、光量モニタ１６に至る混
合波は、透過型の回折格子１４上の点Ｒ、ケール１１の
回折格子１２上の各回折点Ｐ１、および透過型の回折格
子１４上の点Ｋで合計三回回折された光束と、スケール
１１の回折格子１２上の各回折点Ｐ２のみで合計一回回
折された光束との混合波となっている。

【００４５】このような第一実施例によれば、次のよう
な効果がある。すなわち、レーザ光源１３から出射され
て光束分岐手段２１を介してスケール１１の回折格子１
２上の回折点Ｐ１，Ｐ２に至る各光束（各分岐光束Ａ，
Ｂ）の光路が第一の面２０内に設けられ、かつ回折点Ｐ
１，Ｐ２で生成された各１次回折光Ａ１，Ｂ１および各
０次光Ａ０，Ｂ０の各光路が第二の面３０内に設けられ
ているので、各分岐光束Ａ，Ｂの回折点Ｐ１，Ｐ２への
入射角θ１と、これらの各分岐光束Ａ１，Ｂ１の回折角
θ２とを一致させることができる。このため、スケール
１１とその他の各機器とのアライメントおよびその変動
に対し、鈍感な光学系とすることができるので、検出信
号の質の向上やエンコーダとしての計数の変化の防止を
図ることができるうえ、回折効率の向上を図ることがで
きる。

【００４６】また、第一の面２０および第二の面３０を
設けた構成により、発光側の光学系を構成する各機器
（レーザ光源１３および光束分岐手段２１）と、受光側
の光学系を構成する各機器（光束混合手段３１および各
検出器４１Ａ，４１Ｂ）とを互いの配置位置に影響され
ることなく設置でき、各機器の配置構成の自由度を向上
できる。

【００４７】さらに、透過型の回折格子１４上の点Ｋか
らレーザ光源１３とは反対側に向かう混合波が無偏光ビ
ームスプリッタ１５で分岐されるようになっているの
で、各検出器４１Ａ，４１Ｂに至る混合波を、同じ回数
（二回）だけ回折された光束どうしの混合波とすること
ができるため、検出信号の質を向上できる。

【００４８】また、スケール１１として反射型の回折格
子１２を用いているので、発光側の光学系を構成する各
機器（レーザ光源１３および光束分岐手段２１）と受光
側の光学系を構成する各機器（光束混合手段３１および
検出器４１Ａ，４１Ｂ）とをスケール１１の同一側に配
置できるため、前述した透過型の回折格子６０２をスケ
ール６０１として用いた格子干渉型変位検出装置６００
（図７参照）の場合に比べ、装置の小型化やスケールの
取り付け自由度の向上を図ることができる。

【００４９】さらに、１／４波長板５１，５２が設けら
れているので、透過型の回折格子１４上の点Ｋに集まる
二つの光束の偏光方向を、容易に互いに直交した状態に
することができる。また、透過型の回折格子１４は、光
束分岐手段２１および光束混合手段３１に兼用されてい
るので、装置を簡略化できるため、装置の小型化、コス
ト低減をより一層図ることができる。

【００５０】そして、透過型の回折格子１４とスケール
１１の回折格子１２とは、同一ピッチとなっているの
で、レーザ光源１３の波長が変動した際に、波長変動に
伴う回折角変動を小さくできるため、混合する二光束の
光路ずれを生じないようにでき、混合波を確実に得るこ
とができる。

【００５１】さらに、スケール１１の移動量を干渉光の
明暗として検出するに際し、互いに逆方向に位相シフト
された１次回折光Ａ１，Ｂ１同士の干渉を利用している
ので、スケール１１が回折格子１２の一ピッチ分だけ変
位したとすると、各検出器４１Ａ，４１Ｂからは、二周
期分の完全正弦波信号φＡ，φＢを得ることができる
（二回の明暗を得ることができる）。このため、回折格
子１２の一ピッチを光学的に二分割したことになるの
で、分解能の向上を図ることができる。

【００５２】また、一方の検出器４１Ａに１／４波長板
４２を設けたので、二つの検出器４１Ａ，４１Ｂから得
られる正弦波信号φＡ，φＢは、互いに９０度位相の異
なるものとなり、これによりスケール１１の変位方向を
把握することができる。

【００５３】〔第二実施例〕図５には、本発明の第二実
施例である格子干渉型変位検出装置６０が示されてい
る。図５（Ａ）は格子干渉型変位検出装置６０の発光側
の構成図（第一の面２０内）、図５（Ｂ）は受光側の構
成図（第二の面３０内）である。格子干渉型変位検出装
置６０は、前記第一実施例の格子干渉型変位検出装置１
０と略同様な構成を有し、無偏光ビームスプリッタ１５
および光量モニタ１６の設置の有無が異なるのみである
ので、同一部分には同一符号を付して詳しい説明は省略
し、以下には異なる部分のみを説明する。

【００５４】前記第一実施例の格子干渉型変位検出装置
１０では、透過型の回折格子１４上の点Ｋからレーザ光
源１３とは反対側に向かう混合波を分岐する無偏光ビー
ムスプリッタ１５と、レーザ光源１３側に向かう混合波
が入射される光量モニタ１６とが設けられていたが（図
１（Ｂ）参照）、本第二実施例では、これらは設けられ
ていない。つまり、本第二実施例では、図５（Ｂ）に示
すように、透過型の回折格子１４上の点Ｋからレーザ光
源１３とは反対側に向かう混合波は、検出器４１Ｂに送
られ、レーザ光源１３側に向かう混合波は、検出器４１
Ａに送られるようになっている。

【００５５】このような第二実施例においては、前記第
一実施例と同様にして各１次回折光Ａ１，Ｂ１が透過型
の回折格子１４上の点Ｋに集められる。そして、この点
Ｋで各１次回折光Ａ１，Ｂ１の各々が分岐され、１次回
折光Ａ１の回折光と１次回折光Ｂ１の透過光との混合波
が検出器４１Ａに送られ、１次回折光Ａ１の透過光と１
次回折光Ｂ１の回折光との混合波が検出器４１Ｂに送ら
れる。

【００５６】このような第二実施例によれば、前記第一
実施例の無偏光ビームスプリッタ１５の設置による検出
信号の質の向上効果を除き、前記第一実施例と同様な効
果を得ることができる。すなわち、第一の面２０および
第二の面３０を設けたことによる各機器の配置構成の自
由度の向上効果、入射角θ１と回折角θ２との一致によ
る検出信号の質の向上や回折効率の向上効果、スケール
１１として反射型の回折格子１２を用いたことによる装
置の小型化やスケールの取り付け自由度の向上効果、１
／４波長板５１，５２の設置による二光束の偏光方向の
直交化効果、透過型の回折格子１４の光束分岐手段２１
および光束混合手段３１への兼用による装置の小型化や
コスト低減効果、透過型の回折格子１４とスケール１１
の回折格子１２とを同一ピッチとしたことによる光路ず
れ防止効果、１次回折光Ａ１，Ｂ１同士の干渉を利用す
ることによる分解能の向上効果、１／４波長板４２の設
置による各正弦波信号φＡ，φＢの９０度位相ずらし効
果、という各効果を得ることができる。

【００５７】なお、本発明は前記各実施例に限定される
ものではなく、本発明の目的を達成できる他の構成も含
み、例えば以下に示すような変形等も本発明に含まれる
ものである。すなわち、発光側の光学系が配置される第
一の面２０および受光側の光学系が配置される第二の面
３０は、図２に示したような配置に限定されるものでは
なく、例えば、図６（Ａ）に示すようなプリズム８１を
用いて第一の面２０および第二の面３０を折り曲げるこ
とによりプリズム８１の上側部分で第一の面２０と第二
の面３０とを平行に配置するようにしてもよく、あるい
は図６（Ｂ）に示すようなシリンドリカルレンズ８２、
図６（Ｃ）に示すような透過型の回折格子８３を用いて
同様な配置としてもよく、要するに第一の面２０と第二
の面３０とは、スケール１１の同一側であって異なる面
内に配置されていればよい。

【００５８】また、前記各実施例では、１／４波長板５
１，５２は、分岐光束Ｂおよびこの分岐光束Ｂの回折点
Ｐ２における１次回折光Ｂ１が通過する位置に設けられ
ていたが、分岐光束Ａおよびこの分岐光束Ａの回折点Ｐ
１における１次回折光Ａ１が通過する位置に設けられて
いてもよく、要するに、各分岐光束Ａ，Ｂのうちいずれ
か一方の光束が１／４波長板を二回通過するようになっ
ていればよい。

【００５９】また、前記各実施例では、１／４波長板５
１，５２は、第一の面２０内の光路および第二の面３０
内の光路に別々に設けられていたが、これらの二つの光
路に跨がるように一枚の１／４波長板を設けてもよい。
さらに、前記各実施例では、１／４波長板５１，５２を
設けることにより、透過型の回折格子１４上の点Ｋに集
まる二つの光束の偏光方向を互いに直交した状態として
いたが、二光束の偏光方向を直交させる手段は、このよ
うな１／４波長板の設置に限定されるものではなく、例
えば、透過型の回折格子１４上の点Ｒで分岐された後の
各分岐光束Ａ，Ｂをそれぞれ偏光素子（図７の偏光素子
６０６Ａ，６０６Ｂと同様なもの）を通過させることに
より、二光束の偏光方向を直交させてもよい。

【００６０】また、前記各実施例では、透過型の回折格
子１４は、光束分岐手段２１および光束混合手段３１に
兼用されていたが、光束分岐手段２１を構成する透過型
の回折格子と光束混合手段３１を構成する透過型の回折
格子とを別々に設けるようにしてもよい。しかし、装置
の簡略化、小型化、コスト低減の点から、前記各実施例
のように一枚の透過型の回折格子としておくことが好ま
しい。さらに、前記第一実施例では、光量モニタ１６が
設置されていたが、この光量モニタ１６は省略してもよ
い。

【００６１】また、前記各実施例では、スケール１１
は、図３または図４に示すようなガラス１１Ａと体積位
相型の回折格子（ホログラム回折格子）１２とミラー面
１１Ｂとによる積層構造となっていたが、スケール１１
はこのような構造に限定されるものではなく、例えば、
ミラーの表面に回折格子を形成したスケールなどであっ
てもよく、要するに反射型の回折格子を有するスケール
であればよい。

【００６２】そして、回折格子１２のピッチ、レーザ光
源１３の波長は、それぞれ前記各実施例で挙げられてい
た５００ｎｍ程度、７８０ｎｍ程度のものが好適である
が、このような数値に限定されるものではなく、本発明
の構成を実施できれば適宜な数値を選択してよい。

【００６３】また、前記第一実施例では、無偏光ビーム
スプリッタ１５は、スケール１１に対して直角をなすよ
うに設けられていたが、無偏光ビームスプリッタ１５の
設置方向は任意であり、要するに、透過型の回折格子１
４により混合された混合波を二波に分岐できればよい。

【００６４】さらに、前記各実施例では、レーザ光源１
３、光束分岐手段２１、光束混合手段３１、および検出
器４１Ａ，４１Ｂなどの光学系に対してスケール１１が
変位可能に設けられていたが、スケール１１に対してこ
れらの光学系が変位するものであってもよく、あるいは
両者が共に変位するものであってもよく、要するに、ス
ケール１１と光学系とが相対変位するようになっていれ
ばよい。

【００６５】

【発明の効果】以上に述べたように本発明によれば、発
光側の光学系の各光束の光路と、受光側の光学系の各光
束の光路とが、異なる面内に配置されているので、発光
側の光学系を構成する各機器と受光側の光学系を構成す
る各機器とを互いの配置位置に影響されることなく設置
でき、各機器の配置構成の自由度を向上できるうえ、各
分岐光束の入射角と各１次回折光の回折角とを一致させ
ることができ、検出信号の質の向上や回折効率の向上を
図ることができるとともに、スケールとして反射型の回
折格子を用いているので、発光側の光学系と受光側の光
学系とをスケールの同一側に配置でき、装置の小型化や
スケールの取り付け自由度の向上を図ることができると
いう効果がある。

【００６６】そして、光束混合手段を構成する透過型の
回折格子で生成された二つの混合波のうち光源とは反対
側に向かう混合波を二波に分岐する無偏光ビームスプリ
ッタを設けた場合には、検出器に送られる混合波を同じ
回数だけ回折された光束どうしの混合波とすることがで
きるので、検出信号の質をより一層向上できるという効
果がある。

【００６７】また、光束分岐手段の透過型の回折格子上
で分岐された二つの分岐光束のうちいずれか一方の光束
およびこの光束の１次回折光の各光路の途中に、それぞ
れ同じ方位の偏光成分の位相を９０度遅らせるように配
置された１／４波長板を設けた場合には、光束混合手段
の透過型の回折格子上に集まる二つの光束の偏光方向
を、容易に互いに直交した状態にすることができるとい
う効果がある。

【００６８】さらに、光束分岐手段を構成する透過型の
回折格子および光束混合手段を構成する透過型の回折格
子を、一枚の透過型の回折格子により構成した場合に
は、装置を簡略化できるため、装置の小型化、コスト低
減をより一層図ることができるという効果がある。そし
て、透過型の回折格子とスケールの回折格子とを、同一
ピッチとした場合には、光源の波長が変動した際に、混
合する二光束の光路ずれを生じないようにすることがで
き、混合波を確実に得ることができるという効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例を示す構成図。

【図２】前記第一実施例の異なる面（第一の面および第
二の面）の配置状態を説明する概略斜視図。

【図３】前記第一実施例のスケールの断面図。

【図４】前記第一実施例のスケールの別の断面図。

【図５】本発明の第二実施例を示す構成図。

【図６】本発明の変形例を示す概略構成図。

【図７】従来例を示す構成図。

【符号の説明】

１０，６０ 格子干渉型変位検出装置 １１ スケール １２ 反射型の回折格子 １３ レーザ光源 １４ 光束分岐手段および光束混合手段に兼用された透
過型の回折格子 １５ 無偏光ビームスプリッタ ２１ 光束分岐手段 ３１ 光束混合手段 ４１Ａ，４１Ｂ 検出器 ５１，５２ １／４波長板 Ａ，Ｂ 分岐光束 Ａ１，Ｂ１ １次回折光 Ｐ１，Ｐ２ 回折点

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 馬場 哲郎 神奈川県川崎市高津区坂戸１−20−１ 株 式会社ミツトヨ内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 反射型の回折格子を有するスケールと、
   光束を出射する光源と、この光源からの光束を二波に分
   岐しかつその各分岐光束を前記スケールの回折格子上の
   異なる二点に入射させる光束分岐手段と、前記スケール
   の回折格子によって生成された複数の光束を混合させる
   光束混合手段と、この光束混合手段によって混合された
   混合波を電気信号に変換する検出器とを備えた格子干渉
   型変位検出装置であって、 前記光束分岐手段は、前記光源からの光束を回折および
   透過させることにより二波に分岐しかつその各分岐光束
   を前記スケールの回折格子上の異なる二点に入射させる
   透過型の回折格子を含み構成されるとともに、 前記光束混合手段は、前記スケールの回折格子上で回折
   された二つの光束の交点位置に配置され各々の光束を分
   岐させて一方の光束の回折光と他方の光束の透過光とを
   混合させることにより二つの混合波を生成する透過型の
   回折格子を含み構成され、 前記光源から出射されて前記光束分岐手段を介して前記
   スケールの回折格子上に至る各光束の光路と、前記スケ
   ールの回折格子上で回折されて前記光束混合手段を介し
   て前記検出器に至る各光束の光路とを、前記スケールの
   同一側であって異なる面内に配置したことを特徴とする
   格子干渉型変位検出装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載した格子干渉型変位検出
   装置において、前記光束混合手段は、前記透過型の回折
   格子で生成された混合波のうち前記光源とは反対側に向
   かう混合波を二波に分岐する無偏光ビームスプリッタを
   含み構成されていることを特徴とする格子干渉型変位検
   出装置。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２に記載した格子
   干渉型変位検出装置において、前記光源からの光束が分
   岐される前記光束分岐手段の透過型の回折格子上の点と
   この点で分岐された各分岐光束のうちいずれか一方の分
   岐光束が入射される前記スケールの回折格子上の点との
   間の光路の途中、および前記一方の分岐光束が入射され
   る前記スケールの回折格子上の点とこの点で回折された
   光束が前記光束混合手段の透過型の回折格子上に至る点
   との間の光路の途中には、それぞれ同じ方位の偏光成分
   の位相を９０度遅らせるように配置された１／４波長板
   が設けられていることを特徴とする格子干渉型変位検出
   装置。
4. 【請求項４】 請求項１から請求項３のいずれかに記載
   した格子干渉型変位検出装置において、前記光束分岐手
   段を構成する透過型の回折格子および前記光束混合手段
   を構成する透過型の回折格子は、一枚の透過型の回折格
   子により構成されていることを特徴とする格子干渉型変
   位検出装置。
5. 【請求項５】 請求項１から請求項４のいずれかに記載
   した格子干渉型変位検出装置において、前記透過型の回
   折格子と前記スケールの回折格子とは、同一ピッチであ
   ることを特徴とする格子干渉型変位検出装置。
6. 【請求項６】 請求項１から請求項５のいずれかに記載
   した格子干渉型変位検出装置において、前記スケールの
   回折格子に入射される各分岐光束の入射角と、これらの
   各分岐光束が前記スケールの回折格子上で回折されて生
   成された各１次回折光の回折角とは、一致していること
   を特徴とする格子干渉型変位検出装置。